EP4400653A1 - Deep vibrator arrangement and method for compacting the ground by means of a deep vibrator arrangement - Google Patents

Deep vibrator arrangement and method for compacting the ground by means of a deep vibrator arrangement Download PDF

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EP4400653A1
EP4400653A1 EP23151364.9A EP23151364A EP4400653A1 EP 4400653 A1 EP4400653 A1 EP 4400653A1 EP 23151364 A EP23151364 A EP 23151364A EP 4400653 A1 EP4400653 A1 EP 4400653A1
Authority
EP
European Patent Office
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deep
vibrator
vibrators
rotary
movement
Prior art date
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Pending
Application number
EP23151364.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Fritz Kopf
Clemens KUMMERER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Keller Holding GmbH
Original Assignee
Keller Holding GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Keller Holding GmbH filed Critical Keller Holding GmbH
Priority to EP23151364.9A priority Critical patent/EP4400653A1/en
Publication of EP4400653A1 publication Critical patent/EP4400653A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02DFOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/02Improving by compacting
    • E02D3/046Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil
    • E02D3/054Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil involving penetration of the soil, e.g. vibroflotation
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02DFOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/02Improving by compacting
    • E02D3/046Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil
    • E02D3/074Vibrating apparatus operating with systems involving rotary unbalanced masses

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for improving subsoil or for compacting soil, as well as a corresponding method for carrying out soil compaction.
  • Deep vibrators are used for deep compaction of loosely deposited soils. These are dynamically excited by a rotating imbalance and form a dynamic interaction system with the surrounding soil to be compacted. Measurements on the vibrator can be used to determine the dynamic excitation, in particular the imbalance and its position, as well as the vibrator movement, and from this the dynamic properties of the surrounding soil can be determined. Deep vibrators can be used in various methods for improving the subsoil, which are described, for example, in the applicant's brochure "The deep vibrating methods" (brochure 10-02D).
  • the soil is generally compacted by the dynamically activated vibrator penetrating the soil to the desired compaction depth at a compaction point, possibly with the aid of water flushing, and then either being pulled in stages and held until a termination criterion is reached, or by tamping movements in an upward-moving vocational step process.
  • Surface compaction is achieved by working on many compaction points in a grid.
  • the compaction device dynamically stimulates the soil and causes it to vibrate, which mobilizes the soil grains and causes them to become denser. This compaction process requires a certain amount of time during which the vibration must be maintained. This takes place, When compacting using a deep vibrator, the termination criteria are taken into account, which define the end of each individual compaction step at a depth level and initiate the next compaction step (step-by-step pulling).
  • the range of the compaction device depends on the type of excitation (amplitude, frequency) and its geometry as well as the soil properties.
  • a compaction system with several separate vibrator rods attached to a support is known.
  • the vibrator rods can be arranged in a grid of two to ten.
  • the operating data of the compaction system and the vibrators, such as speed, temperature and pressure, are permanently recorded using integrated sensors.
  • the method comprises: introducing the deep vibrator into the soil to a desired final depth; compacting the soil using the deep vibrator in compaction steps, wherein during compaction to a measured depth the lead angle of the imbalance and the vibration amplitude of the deep vibrator are determined; recording a soil stiffness curve from soil stiffness values that are determined over time on the basis of the lead angle and the vibration amplitude; determining first and second soil stiffness values for which a second rate of increase is greater than a first rate of increase of the soil stiffness value; calculating a transition soil stiffness value that lies between the first and second soil stiffness values; and storing the transition soil stiffness value recorded in each case at the associated depth.
  • a soil stiffness profile can be created based on transitional soil stiffness values recorded over depth.
  • the present invention is based on the object of proposing an arrangement for soil compaction or for improving a building site that enables a particularly high compaction performance.
  • the object is also to propose a corresponding method for efficient soil compaction.
  • a deep vibrator arrangement for soil compaction comprising: a plurality of deep vibrators, each of which has an imbalance that can be driven in rotation by a rotary drive in a vibrator housing and at least one sensor that is designed to detect a movement signal representing the movement of the respective deep vibrator, control electronics to which the movement signals of the deep vibrators are passed on, wherein the rotary drives of the deep vibrators can be controlled by the control electronics in such a way that the movements of the deep vibrators are coordinated with one another.
  • One advantage of the arrangement is that the coordinated, dynamically synchronized interaction of several deep vibrators enables particularly efficient compaction, i.e. the arrangement with coordinated control of the deep vibrators is more effective than the sum of the individual components. In this way, the effect of a large device can be achieved with a number of smaller deep vibrators without having to accept its disadvantages and limitations.
  • the number of deep vibrators can in principle be freely selected and can be adapted to the subsoil requirements.
  • the arrangement can comprise two, three, four or more deep vibrators, which are preferably arranged symmetrically.
  • the deep vibrators can be arranged on one or more carrier devices.
  • the distance between the vibrators in the group is an important parameter that must be coordinated with the soil to be compacted in such a way that, on the one hand, sufficient mobilization of the enclosed area and, on the other hand, the greatest possible range are achieved.
  • Another advantage of the arrangement is that the instrumented deep vibrators can be used to carry out geomechanical tests for quality control purposes.
  • All deep vibrators are electronically connected to a central control electronics.
  • To control process parameters such as frequency, unbalance, water addition, Peak pressure, etc.
  • a control criterion can be used which is based on the caster angle of the ground reaction force and is suitable both for the individual vibrator and for the synchronized application of several deep vibrators.
  • a synchronized movement includes in particular that the positions or movements of the vibrators remain the same or repeat regularly. This can apply to vibrators rotating in the same or opposite directions.
  • the angular speeds of the vibrators are preferably the same. All vibrators preferably always have the same phase angle with respect to a reference direction, which is counted as positive in the direction of rotation.
  • a deep vibrator can have a device for dynamic excitation, a drive for generating the excitation, optionally wings for reducing the twisting during compaction, optional water outlet openings at the tip and optionally on the vibrator line, a dynamic decoupling to the vibrator line and a suspension on the carrier device.
  • the excitation drive can comprise a motor, a rotating shaft, one or more unbalanced masses, which can optionally be equipped with a turnover weight.
  • the deep vibrators can each be equipped with wings.
  • the wings can be used to influence the movement behavior of an individual vibrator and its range. If the wings of all the vibrators in a group are parallel to each other, synchronization of the vibrator movements is easier to achieve, but the compaction result is direction-dependent, which is usually undesirable. A more uniform compaction result is achieved if the wings are omitted.
  • anti-rotation means can be provided to prevent the vibrators of the group from rotating at their suspension.
  • the use of wings to brake the rotation around the vertical axis is therefore not necessary, or their dimensions can be reduced.
  • the possible sensors can be selected depending on the application and requirements.
  • at least one motion sensor is provided on each vibrator, which detects a motion signal representing the movement of the vibrator. If the excitation is to be synchronized, the positions of the imbalances of the deep vibrators must be detected using position sensors.
  • several sensors can be attached to each of the deep vibrators, which sense the movement behavior or the acceleration and/or the position of the imbalance.
  • Several acceleration sensors can be attached to the deep vibrator at different levels. From bidirectional acceleration measurements in two levels of a vibrator, the horizontal movement behavior can be determined at any point on the vibrator, for example at the tip or the position of the imbalance excitation.
  • the associated vibration paths can be determined, which, when halved, lead to the vibration path amplitude A.
  • the vibrator movement lags behind the dynamic excitation caused by the rotating imbalance.
  • the lead angle ⁇ can be determined.
  • the motor power and/or the temperature of the drive motor can optionally be recorded using corresponding power or temperature sensors.
  • the pressures and/or flow rates for peak water, underwater water and/or headwater can also be recorded using corresponding pressure and/or flow sensors.
  • a dynamic reaction of the soil can optionally be measured using sensors on the surface and/or in depth, whereby the deep sensors under the groundwater can also determine the pore water pressures. From the known weight of the vibrator and a measured crane load, a vertical load can be calculated if necessary. of the soil by the vibrator. If deep vibrators with blades are used, the orientation of the blades can optionally be determined by measuring the vibrator rotation, which has an influence on the vibrator movement.
  • the deep vibrators preferably have power reserves for synchronization.
  • the control electronics can be designed to primarily control the rotary drive of one of the deep vibrators depending on the movement signals of the deep vibrators, and to secondarily control the rotary drive of at least one other of the deep vibrators, such that the rotary movement of the secondarily controlled rotary drive is coordinated with the rotary movement of the primarily controlled rotary drive.
  • the control electronics are preferably designed to control the rotary movement of the secondarily controlled rotary drive synchronously with the rotary movement of the primarily controlled rotary drive, in particular with the same movement speed.
  • the primary deep vibrator can also be referred to as the "master", while the other deep vibrators are operated in dependent mode, which can also be referred to as "slave” operation.
  • Any deep vibrator in the group can be selected as the "master” and operated sufficiently below its power limit.
  • the other deep vibrators in the arrangement can be controlled in "slave” mode, with their movements (or excitation) following the movement (or excitation) of the "master”.
  • the individual deep vibrators can have an independent power supply. In the case of heterogeneous soil conditions or different vibrator characteristics, an algorithm can appoint the vibrator whose power reserves are exhausted as the "master", which the other vibrators that still have power reserves must follow or follow in terms of control technology.
  • the "master" vibrator can continue to run undisturbed, while the others can drop back in phase in a controlled manner, i.e. rotate a little slower, until the phase position of the new operating mode is reached and can be maintained.
  • the control electronics can regulate the rotary movements of several of the deep vibrators with the same direction of rotation, the same phase position and the same angular speed.
  • This mode of operation is similar to that of a large vibrator.
  • the vibrator movements (or excitations) are synchronized in such a way that a common parallel displacement of the entire group occurs.
  • Self-synchronization in this mode of operation is not excluded, but is not sought because of its unreliability and the corresponding phase shifts.
  • soil mechanics a large range is achieved, the area enclosed by the vibrators is not subjected to maximum stress due to the lack of shear distortions. The vibration effect on the environment is considerable. Although this is irrelevant for most deep compaction construction sites, the energy used to vibrate the environment (geometric damping) is lost for soil compaction.
  • the control electronics can regulate the rotary movements of at least two of the deep vibrators with the same direction of rotation, the same angular speed and phase positions offset by 180° from one another.
  • This mode of operation can also be referred to as "oscillation and compression".
  • the imbalances of the deep vibrators, which rotate in the same direction, are synchronized in such a way that the horizontal forces on the ground cancel each other out and a dynamic torsional moment is created globally around the vertical axis.
  • the pattern that dynamically rotates around the vertical axis alternately clockwise and anticlockwise (oscillating) also cyclically becomes smaller and larger (compression and expansion). Outside the surrounding area, the oscillation generates shear distortions that serve to compact the material.
  • control electronics can be designed to control the rotary movements of at least two of the deep vibrators starting from an identical phase position in a reference plane spanned by the longitudinal axes of the deep vibrators with opposite directions of rotation and the same angular speed.
  • This mode of operation can also be referred to as a "directional vibrator with oscillation".
  • the control electronics can be designed to control the rotary movements of at least two of the deep vibrators, starting from an identical phase position perpendicular to a reference plane spanned by the longitudinal axes of the deep vibrators, with opposite directions of rotation and the same angular speed.
  • This mode of operation can also be referred to as "directional vibrator with compression".
  • the imbalances of the deep vibrators can be operated diagonally in different directions of rotation.
  • the deep vibrators can be synchronized so that they work in "directional vibrator” mode, whereby the global direction of vibration, in which all vibrators act in phase, can be freely set.
  • the forces on the ground equalize each other so that only local shear distortions occur.
  • the global direction of vibration can be rotated continuously, whereby at least half a rotation (or an integer multiple thereof) should be achieved with each compaction step.
  • the vibration of the environment and the energy lost for compaction are relatively high, similar to the "large vibrator". With a rotating direction of vibration, the vibration of the environment can be perceived as a pulsating sound.
  • four deep vibrators arranged in a square or rectangular shape can be used, but this is not limited to them. However, it is understood that different numbers of vibrators can be used for all configurations.
  • “large vibrator”, "oscillation with compression” and “directional vibrator”, alternatively or additionally modified and other operating modes can be implemented.
  • the forces acting on the ground can largely be equalized. Due to the lack of a global effect on the ground, the vibration of the surrounding area can be minimized and the energy introduced is primarily available for local compaction and mobilization.
  • another operating mode for four deep vibrators is characterized by the fact that all vibrators are synchronized in the same direction of rotation in such a way that the vibrators on one diagonal move towards each other while the vibrators on the other diagonal move apart. This can be done alternately and cyclically by the dynamic excitation. Locally, the soil area between the vibrators is subjected to dynamic shear distortions, which is why this mode of operation can also be referred to as "shear distortion". The shear distortions lead to the mobilization and compaction of the soil in a highly effective manner.
  • Another operating mode for an arrangement with four vibrators is characterized by the fact that the imbalances of the deep vibrators are driven diagonally in different directions of rotation.
  • the local impact on the ground is achieved by a combination of dynamic shear distortions, which alternate with compression and expansion movements.
  • This operating mode can also be referred to as "shear distortion with compression”.
  • a deep vibrator can be mounted on a carrier device, for example a cable excavator, and can be vibrated into the soil to be compacted either freely suspended or guided (leader).
  • a carrier device for example a cable excavator
  • the frequency and/or the eccentricity of the dynamic excitation can be changed in order to compact the soil, depending on its properties, by pulling it step by step from bottom to top or by tamping it in a vocational step, with material added from above or at the tip (lock vibrator) with water added at the tip (underwater) and, if necessary, on the vibrator line (upstream).
  • Compaction can be carried out in a grid, for example triangular or square, and can be coordinated and optimized to the combination of subsoil properties - compaction device - compaction requirement. If necessary, after the first grid has been processed, an additional Grid, especially a secondary grid in the intermediate points, should be densified.
  • the unbalance can be driven in rotation in such a way that a frequency of the rotational movement is changed over a measurement period, whereby the vibration amplitude (A) of the deep vibrator is determined during the measurement period.
  • the frequency range is selected so that the vibrator housing and the surrounding soil are coupled to one another and vibrate over at least a portion of the frequency range.
  • the unbalance can be driven in rotation from a standstill so that the frequency of the rotational movement is increased starting from zero over the measurement period.
  • the frequency can be increased progressively across the frequency range.
  • This procedure can be carried out at different depths as part of soil improvement. For this, the actual processing process is stopped and then the unbalance is driven in the manner described. This procedure can also be referred to as a "listening stop".
  • Determining the vibration amplitude during a change in the frequency of the rotational movement of the unbalance advantageously leads to particularly precise and reliable results, since the deep vibrator is used in a similar way to a measuring probe by running through a frequency response. The conditions for a measurement are better than when the deep vibrator is being used for compaction.
  • the vibration amplitude is an important parameter for evaluating the compaction of the soil.
  • the deep vibrator is not introduced into the soil exclusively for the measuring process described.
  • the method according to the invention can advantageously be used during compaction of the soil using the deep vibrator, or can be carried out alternately with the compaction process.
  • a soil stiffness value (k) can be calculated based on at least the vibration amplitude (A) and optionally also taking into account the lead angle ( ⁇ ).
  • the lead angle ( ⁇ ) refers to the phase angle by which the unbalance mass is offset from the measuring direction of the sensors during the vibration movement.
  • this can be the soil stiffness of the
  • the soil stiffness signal (k) representing the soil can also be calculated taking into account the mass (M) of the deep vibrator.
  • the determination of the soil stiffness signal (k) representing the soil stiffness of the soil can be carried out taking into account a soil mass characteristic value ( ⁇ M) representing the soil mass vibrating on the deep vibrator, in particular the modal soil mass.
  • the determination of the soil stiffness signal (k) representing the soil stiffness of the soil can also be carried out taking into account the measured amplitude (A) and a comparison amplitude (A ⁇ ).
  • the amplitude of the vibrator at a certain excitation frequency ( ⁇ ) during free vibration can be used as the comparison amplitude.
  • the measured vibration path amplitude (A) can be related to the theoretical amplitude (A ⁇ ) at a theoretically infinitely high excitation frequency, i.e.
  • M the modal vibrator mass
  • ⁇ M the modal vibrating soil mass
  • m ⁇ e the unbalance in the vibrator (unbalance mass times eccentricity).
  • the magnification factor is one.
  • a crosshole test can also be carried out with the deep vibrator arrangement.
  • the compaction activity is briefly interrupted. Any one of the deep vibrators is operated actively, and at least some of the other deep vibrators are operated passively, with the passively operated deep vibrators using their sensors to record the signals from the active deep vibrator that they receive through the ground in between.
  • a deep vibrator 2 is used to compact soil using an unbalance.
  • An unbalance is understood to be a rotating body 3 whose mass is not distributed rotationally symmetrically.
  • the mass axis of inertia of the mass body 3 is offset from the axis of rotation B, so that the unbalance generates vibrations when rotating, which compact the soil and any additional material Z.
  • the process of vibratory compaction is based on the effect that the vibration of the deep vibrator 2 temporarily eliminates the friction between the soil grains and existing pore spaces close almost to the densest position due to gravity. Depending on the nature of the soil and the amount of compaction required, a reduction in volume occurs.
  • a deep vibrator 2 suitable for the invention comprises as essential components the rotating mass body 3, which can be driven in rotation about the rotation axis B in a vibrator housing 4.
  • the mass body 3 can be driven by a rotary drive 5, for example an electric motor, via a drive shaft 16.
  • a position signal representing the position of the unbalance 3 can be detected by means of a corresponding sensor 6.
  • the deep vibrator 2 can be suspended from a rod 8 via an elastic coupling 7.
  • the sinking and/or compaction can optionally be facilitated by one or more water flushes 9, 10 via lines 11 integrated in the rod 8.
  • the water flow and/or the water pressure can be measured and then controlled using appropriate sensors 12 if necessary.
  • First acceleration sensors 13 can be provided in a first plane E13 of the deep vibrator 2, in particular above the unbalance 3, and second acceleration sensors 14 in a second plane E14, in particular below the unbalance 3.
  • the acceleration sensors 13, 14 are used to measure the acceleration of the deep vibrator 2 during the vibration process. From bidirectional acceleration measurements in two planes E13, E14 of the vibrator 2, the horizontal movement behavior can be determined at any point on the vibrator, for example at the tip 15 or in the position of excitation by the unbalance 3.
  • the vibration path at the vibrator tip 15 corresponds to twice the vibration path amplitude.
  • force sensors 19 can be provided for detecting the suspension force of the vibrator 2 or for determining the peak pressure of the vibrator.
  • at least one sensor (not shown) can be provided for measuring the penetration depth T of the deep vibrator 2.
  • the deep vibrator 2 can also have wings.
  • Figure 2 shows an arrangement according to the invention with two deep vibrators 2, each of which has an imbalance 3 that can be driven in rotation in a vibrator housing 4 by a rotary drive 5, as well as at least one motion sensor that is designed to detect a motion signal representing the movement of the respective deep vibrator.
  • Control electronics 21 are also provided, to which the motion signals of the deep vibrators 2 are passed on.
  • the control electronics 21 controls the rotary drives 5 of the deep vibrators 2 in such a way that their movements are coordinated with one another.
  • one or both of the deep vibrators can also have any other design that is suitable in connection with Figure 1 are described.
  • acceleration sensors 13, 14 can be attached to the deep vibrator in different planes E13, E14. From bidirectional acceleration measurements in two planes of a vibrator, the horizontal movement behavior can be determined at any point on the vibrator, for example at the tip or the location of the imbalance excitation.
  • the two deep vibrators 2 are preferably operated in such a way that they have power reserves for synchronization.
  • the deep vibrators 2 can be controlled by the control electronics 21 can be controlled, for example, in such a way that - depending on the movement signals from both deep vibrators - the rotary drive 5 of one of the two deep vibrators 2 is primarily controlled, while the rotary drive 3 of the other of the deep vibrators 2 is secondarily controlled.
  • the rotary movement of the secondarily controlled rotary drive 5 is coordinated with the rotary movement of the primarily controlled rotary drive, in particular synchronously, which includes an equal movement speed and/or deflection of the two deep vibrators.
  • the synchronized movement of the two deep vibrators 2 compacts the material, with the material movement U being shown with solid arrows.
  • the material movement forms a settlement funnel.
  • a space created by the compaction can be filled with additional material Z.
  • the movement of an optional water flush S is shown with dashed arrows.
  • the primary deep vibrator 2 can also be referred to as the "master", while the other deep vibrator is operated in dependent mode, which can also be referred to as "slave” operation.
  • the movement of the deep vibrator 2 controlled in “slave” operation follows the movement of the vibrator operated as the "master”.
  • the control electronics 21 can use an algorithm to make the vibrator whose power reserves are exhausted the "master” and control it accordingly, which the other vibrator, which still has power reserves, then follows in terms of control technology.
  • the control electronics 21 are designed to control the arrangement 1 of deep vibrators 2 in different operating modes.
  • a first mode of operation is in the Figures 3A and 3B shown, where the Figure 3B the vibrators opposite the position Figure 3A after a quarter period, i.e. with the vibrators rotated by 90°.
  • the characteristic feature of this mode of operation is that both deep vibrators 2 are operated or controlled with the same direction of rotation R1, the same phase position P1 and the same angular speed.
  • This mode of operation is similar to that of a large vibrator, which has a single vibrator with greater power, and can also be referred to as the "large vibrator" mode of operation.
  • the vibrator movements are (or excitations) are synchronized in such a way that a common parallel displacement of the entire group occurs.
  • the two vibrators always oscillate in the same direction.
  • the dashed line shows the shape F1 of the displaced or distorted group arrangement.
  • the dotted line shows the opposite shape F2 of the displaced or distorted group arrangement.
  • the dashed arrow G represents the entire circular translational displacement of arrangement 1.
  • a second mode of operation is in the Figures 4A and 4B shown, where the Figure 4B the deep vibrators 2 opposite the position Figure 4A after a quarter period, i.e. with the vibrators rotated by 90°.
  • a characteristic feature of this mode of operation is that the two deep vibrators 2 are driven or controlled with the same direction of rotation R1, the same angular speed, but with phase positions P1, P2 offset by 180° from one another.
  • This mode of operation can also be referred to as "compression and oscillation".
  • the unbalanced masses 3 of the deep vibrators 2, which rotate in the same direction of rotation, are synchronized in such a way that the horizontal forces on the ground largely cancel each other out and an overall dynamic torsional moment is created around the vertical axis A.
  • the form F1 of the shifted or distorted group arrangement is shown with a dashed line
  • the opposite form F2 of the shifted or distorted group arrangement is shown with a dotted line.
  • the global effect is oscillating; the local effect is compressing.
  • a third mode of operation is in the Figures 5A and 5B shown, where the Figure 5B the deep vibrators 2 opposite the position Figure 5A after a quarter period, i.e. with the vibrators rotated by 90°.
  • the characteristic feature of this mode of operation is that the rotary movements of the two deep vibrators 2, starting from an identical phase position P1, in a reference plane EB spanned by the longitudinal axes B of the deep vibrators 2, with opposite directions of rotation R1, R2 and the same angular velocity.
  • This mode of operation can also be referred to as a "directional oscillator with oscillation".
  • the overall effect is that of a directional oscillator in the plane EB with a torsional moment about the vertical axis A, as shown with dashed arrows G1, G2.
  • a fourth mode of operation is in the Figures 6A and 6B shown, where the Figure 6B the deep vibrators 2 opposite the position Figure 6A after a quarter period, i.e. with the vibrators rotated by 90°.
  • the characteristic feature of this mode of operation is that the rotary movements of the two deep vibrators 2 are controlled starting from a mutually identical phase position P1 perpendicular to a reference plane EB spanned by the longitudinal axes B of the deep vibrators 2 with opposite directions of rotation R1, R2 and the same angular velocity.
  • the dashed line shows the shape F1 of the shifted or distorted group arrangement, while the dotted line shows the opposite shape F2 of the shifted or distorted group arrangement.
  • a vibrator arrangement 1 according to the invention is shown in a second embodiment with four deep vibrators 2.
  • the structure and functioning of this embodiment largely corresponds to those according to the Figures 2 to 7 , so that with regard to the similarities, reference is made to the above description. The same or corresponding details are provided with the same reference numerals as in the Figures 2 to 7 .
  • the one in the Figures 9A and 9B The operating mode shown for four vibrators corresponds to the one shown in the Figures 3A and 3B shown operating mode for two vibrators.
  • the vibrators are opposite the position from Figure 9A after a quarter period, i.e. rotated by 90°.
  • the four deep vibrators 2 are operated or controlled with the same direction of rotation R1, the same phase position P1 and the same angular speed.
  • the vibrator movements or excitations
  • the resulting global circular translation displacement is shown with arrows G.
  • FIGs 10A and 10B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown.
  • the vibrators are opposite the position from Figure 10A after a quarter period, i.e. rotated by 90°.
  • the characteristic feature of this mode of operation is that all vibrators are synchronized in the same direction of rotation R1 in such a way that the vibrators of one diagonal D1 move towards each other, while the vibrators of the other diagonal D2 move apart. This happens alternately and cyclically through the dynamic excitation. Lo"al the ground area between the vibrators is subjected to dynamic shear distortions, as the dashed or dotted lines show. This mode of operation can therefore also be referred to as "shear distortion".
  • the shear distortions lead to mobilization and compaction in a highly effective manner.
  • the horizontal forces of the vibrators on the ground equalize each other, which is why a smaller range is possible compared to the "large vibrator" mode of operation according to the Figures 9A and 9B is given.
  • the vibration of the environment is minimized, the energy used is available for concentrated local soil compaction and mobilization.
  • the "shear distortion" operating mode is therefore particularly suitable. This operating mode may also be suitable for penetration where extensive compaction is not yet desired.
  • FIGs 11A and 11B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown.
  • the vibrators are opposite the position from Figure 11A after a quarter period, i.e. rotated by 90°.
  • the characteristic feature of this mode of operation is that all deep vibrators 2 are driven in the same direction of rotation R1, whereby the unbalanced masses 3 of the deep vibrators are synchronized by the control electronics 21 in such a way that the horizontal forces on the ground largely equalize each other and a dynamic torsional moment is created globally around the vertical axis, which can be seen from the dashed arrows G.
  • FIGs 12A and 12B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown.
  • the vibrators are opposite the position from Figure 12A after a quarter period, i.e. rotated by 90°.
  • a characteristic feature of this mode of operation is that the unbalanced masses 3 of the deep vibrators 2 are operated diagonally (D1, D2) in different directions of rotation R1, R2.
  • the unbalanced masses 3 can be synchronized using the control electronics 21 so that they work in the "directional vibrator" mode, whereby the global direction of vibration, in which all vibrators act in phase, can be freely set.
  • the forces on the ground equalize each other transversely, so that only local shear distortions ( Figure 12B ).
  • the global direction of oscillation can be continuously rotated, whereby at least half a revolution (or an integer multiple thereof) should be achieved in each compression step.
  • This mode of operation can also be referred to as a "directional oscillator with compression”.
  • the global oscillation movement is shown as a dashed arrow G.
  • FIG. 13A and 13B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown.
  • the vibrators are opposite the position from Figure 13A after a quarter period, i.e. rotated by 90°.
  • the characteristic feature of this mode of operation is that the unbalanced masses 3 of the deep vibrators 2 are operated diagonally (D1, D2) in different directions of rotation R1, R2 in such a way that the forces on the ground are locally equalized, thereby causing local shear distortions, and only a residual global torsional moment (dynamic oscillation moment around the vertical axis) remains.
  • the shear deformations are maximized over a large area in this mode of operation, as both the local shear distortions and the global oscillation movement are caused.
  • the "oscillation with shear distortion" mode of operation is ideal.
  • the global torsional movement is shown by dashed arrows G.
  • FIGs 14A and 14B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown.
  • the vibrators are opposite the position from Figure 14A after a quarter period, i.e. rotated by 90°.
  • a characteristic feature of this mode of operation is that the unbalanced masses 3 of the deep vibrators 2 are driven diagonally (D1, D2) in different directions of rotation R1, R2.
  • the forces on the ground largely or completely cancel each other out, so that the lack of global effect on the ground minimizes the vibration of the surroundings and the energy introduced is primarily available for local compaction and mobilization. This occurs through a combination of dynamic shear distortions, which alternate with compression and expansion movements.
  • This mode of operation can also be referred to as "shear distortion with compression”.
  • All operating modes with diagonally rotating unbalances can be smoothly transferred into one another without interrupting operation, so that during operation it is possible to switch between the operating modes “directional oscillator”, “oscillation with shear distortion” and “shear distortion with compression”. All operating modes can also be operated in the opposite direction of rotation, so that when using vibrators with a turnover weight, a choice can be made between two different eccentricities of the excitation, whereby the diagonally different direction of rotation R1, R2 must be taken into account in the design of the turnover unbalance if the mixing of small and large eccentricities is to be avoided.
  • the arrangement 1 according to the invention also allows the use of the sensors for geotechnical measurements.
  • a geotechnical measurement also referred to as a "listening stop" is shown schematically in Figure 15 shown.
  • a partial decoupling of the deep vibrator 2 and the soil occurs in the contact zone, so that the amplitudes A measured on the vibrators are different from those vibration amplitudes that occur in the compacted soil (in the contact area). Therefore, during penetration or during compaction, only a state-dependent soil reaction can be determined using the formulas given above.
  • the dynamic excitation is initially not sufficient to cause penetration or compaction, the deep vibrator 2 is stuck in the soil and the amplitudes A measured on the vibrator match the vibration amplitudes of the soil in the contact area.
  • the state-dependent reaction stiffness k can be calculated using the following approximate formula: k ⁇ m ⁇ e ⁇ ⁇ 2 / A
  • the excitation frequency ⁇ can be gradually increased in a sliding frequency response so that the measured, initially constant soil stiffness conditions begin to change significantly at the moment when the vibrator starts to act as a compaction device again.
  • the test can be carried out in the case of handling weights with a large or small eccentricity (m ⁇ e) and can be carried out with a single vibrator or the vibrator arrangement 1 can be used as a unit.
  • synchronization preferably in the "large vibrator" operating mode, must be carried out via the position of the unbalance, since the initially minimal vibrator movements are not suitable for synchronization.
  • FIG 16 Another geotechnical measurement is shown schematically in Figure 16 which can also be referred to as a "crosshole” test.
  • the compaction activity is interrupted for a short time and any vibrator becomes the "active vibrator” ( Figure 16 , left vibrator).
  • the remaining vibrators 2' ( Figure 16 , right vibrator and possibly other vibrators outside the plane of the drawing) behave passively and use their sensors to register the signals from the active vibrator, which they reach through the ground in between.
  • the test can often be carried out with the "active vibrator” being changed in turn.
  • the distances W between the vibrators are also known at depth T.
  • signals are emitted to the ground by the active vibrator, they travel through the ground over the known distances W to the passive vibrators.
  • the signals can be homogeneous (rotating imbalance) or pulse-shaped (e.g. reversal of the imbalance).
  • the propagation speeds of the different types of waves in the ground between the vibrators are known from the travel times of the different types of waves and the known distances.
  • the stiffness modulus E s and the shear modulus G are suitable for describing the soil stiffness, which increases significantly during compaction. Below the groundwater, the shear modulus is more meaningful, since the propagation speed of the compression wave is significantly influenced by the water content.
  • control of the process parameters in order to optimize the compaction success can be carried out with a control criterion which is based on the caster angle of the ground reaction force and is suitable both for the individual vibrator and for the synchronized application of several deep vibrators.
  • the measured deflection has a different magnitude ( A ) and direction ( ⁇ ) in relation to the centrifugal force ( F e ) of the unbalance.
  • the reason for this is the forces transmitted to the ground, which can be summarized to form an oppositely directed resulting ground reaction force ( F b ) on the vibrator.
  • the magnitude and direction of the resulting ground reaction force ( F b ) can be calculated as follows using Figure 18 described.
  • Figure 18 shows the geometric relationship of the vector addition for the forces and the associated deflections for the case with one degree of freedom.
  • This case occurs when the ground reaction force acts on a balanced vibrator approximately in the plane of excitation, which is usually the case in practice.
  • the ground reaction force (magnitude and direction) required to cause the deflection (magnitude and direction) measured during soil compaction is determined.
  • this value is used to regulate the process parameters (frequency, unbalance, water addition, peak pressure, etc.) and should theoretically assume the value 90° when the natural frequency of the ground reaction force is reached.
  • the target value of the control for optimal soil compaction can deviate from the theoretical value of 90°.
  • the aim of the control is to carry out soil compaction at the natural frequency of the ground reaction force by utilizing the available engine power, the available unbalance eccentricities and the appropriate frequency and water addition in order to optimize the range and compaction success.
  • a deep vibrator 2 is particularly well-adjusted when it is dynamically excited while hanging freely in the air (zero test) and its resting point is located at the joint to the vibrator string. No significant vibrations are transferred to the vibrator string and vice versa, no significant dynamic forces are transferred from the string to the vibrator.
  • the deep vibrator 2 is particularly well-balanced as a compaction device when the resulting dynamic ground reaction force acts in the plane of the excitation during compaction and the pole is therefore still located at the joint.
  • the vibration forms of the vibrator are then identical during the zero test (hanging freely in the air) and during compaction, only the amplitude and phase angle are different, since compaction work is carried out in the ground.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tiefenrüttleranordnung (1) zur Bodenverdichtung umfassend: mehrere Tiefenrüttler (2), die jeweils eine in einem Rüttlergehäuse (4) von einem Drehantrieb (5) drehend antreibbare Unwucht (3) sowie zumindest einen Bewegungssensor (6, 12, 13, 14, 19) aufweisen, der ausgestaltet ist, um ein die Bewegung des jeweiligen Tiefenrüttlers (2) repräsentierendes Bewegungssignal (P) zu erfassen, und eine Steuerungselektronik (21), an welche die Bewegungssignale (P) der Tiefenrüttler (2) weitergegeben werden, wobei die Drehantriebe (5) der Tiefenrüttler (2) von der Steuerungselektronik (21) derart ansteuerbar sind, dass die Bewegungen der Tiefenrüttler (2) zusammenwirkend aufeinander abgestimmt sind.The invention relates to a deep vibrator arrangement (1) for soil compaction, comprising: a plurality of deep vibrators (2), each of which has an unbalanced mass (3) that can be driven in rotation by a rotary drive (5) in a vibrator housing (4), and at least one motion sensor (6, 12, 13, 14, 19) that is designed to detect a motion signal (P) representing the movement of the respective deep vibrator (2), and control electronics (21) to which the motion signals (P) of the deep vibrators (2) are passed on, wherein the rotary drives (5) of the deep vibrators (2) can be controlled by the control electronics (21) in such a way that the movements of the deep vibrators (2) are coordinated with one another.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Baugrundverbesserung beziehungsweise zum Verdichten eines Bodens sowie ein entsprechendes Verfahren zur Durchführung einer Bodenverdichtung.The invention relates to an arrangement for improving subsoil or for compacting soil, as well as a corresponding method for carrying out soil compaction.

Zur Tiefenverdichtung locker gelagerter Böden werden Tiefenrüttler verwendet, welche durch eine rotierende Unwucht dynamisch angeregt werden und mit dem umgebenden, zu verdichtenden Boden ein dynamisches Interaktionssystem bilden. Anhand von Messungen am Rüttler können die dynamische Anregung, insbesondere Unwucht und deren Lage, sowie die Rüttlerbewegung bestimmt und daraus die dynamischen Eigenschaften des umgebenden Bodens ermittelt werden. Tiefenrüttler können in verschiedenen Verfahren zur Baugrundverbesserung eingesetzt werden, die beispielsweise in dem Prospekt "Die Tiefenrüttelverfahren" (Prospekt 10-02D) der Anmelderin beschrieben sind.Deep vibrators are used for deep compaction of loosely deposited soils. These are dynamically excited by a rotating imbalance and form a dynamic interaction system with the surrounding soil to be compacted. Measurements on the vibrator can be used to determine the dynamic excitation, in particular the imbalance and its position, as well as the vibrator movement, and from this the dynamic properties of the surrounding soil can be determined. Deep vibrators can be used in various methods for improving the subsoil, which are described, for example, in the applicant's brochure "The deep vibrating methods" (brochure 10-02D).

Das Verdichten des Bodens erfolgt in der Regel dadurch, dass der dynamisch angeregte Rüttler an einem Verdichtungspunkt gegebenenfalls unter Hilfe von Wasserspülung in den Boden bis zur gewünschten Verdichtungstiefe eindringt und dann entweder in Stufen gezogen und jeweils bis zu einem Abbruchkriterium gehalten wird oder Stopfbewegungen in einem aufwärtsbewegten Pilgerschrittverfahren durchführt. Flächige Verdichtung erfolgt durch die Bearbeitung vieler Verdichtungspunkte in einem Raster.The soil is generally compacted by the dynamically activated vibrator penetrating the soil to the desired compaction depth at a compaction point, possibly with the aid of water flushing, and then either being pulled in stages and held until a termination criterion is reached, or by tamping movements in an upward-moving pilgrim step process. Surface compaction is achieved by working on many compaction points in a grid.

Bei der dynamischen Verdichtung regt das Verdichtungsgerät den Boden dynamisch an und versetzt ihn in Schwingungen, wodurch die die Bodenkörner mobilisiert werden und sich in eine dichtere Lagerung begeben. Dieser Verdichtungsprozess erfordert entsprechende Zeit, in der die Schwingung aufrechterhalten werden muss. Dies findet, bei der Verdichtung mittels Tiefenrüttler, in den Abbruchkriterien Berücksichtigung, welche die Beendigung jedes einzelnen Verdichtungsschrittes in einer Tiefenstufe definieren und den nächsten Verdichtungsschritt einleiten (stufenweises Ziehen). Die Reichweite des Verdichtungsgerätes richtet sich nach der Art der Anregung (Amplitude, Frequenz) und seiner Geometrie sowie nach den Bodeneigenschaften.In dynamic compaction, the compaction device dynamically stimulates the soil and causes it to vibrate, which mobilizes the soil grains and causes them to become denser. This compaction process requires a certain amount of time during which the vibration must be maintained. This takes place, When compacting using a deep vibrator, the termination criteria are taken into account, which define the end of each individual compaction step at a depth level and initiate the next compaction step (step-by-step pulling). The range of the compaction device depends on the type of excitation (amplitude, frequency) and its geometry as well as the soil properties.

Aus der DE 10 2016 125 155 A1 ist eine Verdichtungsanlage mit mehreren an einem Träger angebrachten separaten Vibratorstangen bekannt. Die Vibratorstangen können in einem Raster von zwei bis zehn Stück angeordnet werden. Die Betriebsdaten der Verdichtungsanlage und der Vibratoren, wie Drehzahl, Temperatur und Druck, werden mittels integrierter Sensoren permanent erfasst.From the EN 10 2016 125 155 A1 A compaction system with several separate vibrator rods attached to a support is known. The vibrator rods can be arranged in a grid of two to ten. The operating data of the compaction system and the vibrators, such as speed, temperature and pressure, are permanently recorded using integrated sensors.

Aus der EP 3 517 687 B1 ist ein Verfahren zur Verdichtungserfassung und -steuerung beim Verdichten eines Bodens mittels eines Tiefenrüttlers bekannt, der eine in einem Rüttlergehäuse drehend antreibbare Unwucht und mehrere Sensoren aufweist. Das Verfahren umfasst: Einbringen des Tiefenrüttlers in den Boden bis zu einer gewünschten Endtiefe; Verdichten des Bodens mittels des Tiefenrüttlers in Verdichtungsschritten, wobei während des Verdichtens zu einer jeweils gemessenen Tiefe der Vorlaufwinkel der Unwucht sowie die Schwingungsamplitude des Tiefenrüttlers ermittelt werden; Erfassen eines Bodensteifigkeitsverlaufs aus Bodensteifigkeitswerten, die über der Zeit auf Basis des Vorlaufwinkels und der Schwingungsamplitude ermittelt werden; Ermitteln von ersten und zweiten Bodensteifigkeitswerten, bei denen eine zweite Steigerungsrate größer ist als eine erste Steigerungsrate des Bodensteifigkeitswerts; Berechnen eines Übergangs-Bodensteifigkeitswerts, der zwischen dem ersten und zweiten Bodensteifigkeitswert liegt; und Speichern des jeweils erfassten Übergangs-Bodensteifigkeitswerts zur zugehörigen Tiefe. Auf Basis von über der Tiefe erfassten Übergangs-Bodensteifigkeitswerte kann ein Bodensteifigkeitsprofil erstellt werden.From the EP 3 517 687 B1 A method is known for compaction detection and control when compacting a soil using a deep vibrator, which has an imbalance that can be driven in rotation in a vibrator housing and several sensors. The method comprises: introducing the deep vibrator into the soil to a desired final depth; compacting the soil using the deep vibrator in compaction steps, wherein during compaction to a measured depth the lead angle of the imbalance and the vibration amplitude of the deep vibrator are determined; recording a soil stiffness curve from soil stiffness values that are determined over time on the basis of the lead angle and the vibration amplitude; determining first and second soil stiffness values for which a second rate of increase is greater than a first rate of increase of the soil stiffness value; calculating a transition soil stiffness value that lies between the first and second soil stiffness values; and storing the transition soil stiffness value recorded in each case at the associated depth. A soil stiffness profile can be created based on transitional soil stiffness values recorded over depth.

Bei großen Verdichtungsgeräten kann es dazu kommen, dass die Antriebsmotoren erhitzen und die zur Verdichtung erforderliche Schwingung nicht ausreichend lange aufrechterhalten können. Die Abbruchkriterien für die Verdichtung sind demnach unter Umständen nicht mehr bodenmechanisch motiviert, sondern richten sich nach den Möglichkeiten des Rüttlers.With large compaction machines, the drive motors can heat up and cannot maintain the vibration required for compaction for long enough. The criteria for stopping compaction may therefore no longer be motivated by soil mechanics, but rather depend on the capabilities of the vibrator.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Bodenverdichtung beziehungsweise zur Verbesserung eines Baugrundes vorzuschlagen, die eine besonders hohe Verdichtungsleistung ermöglicht. Die Aufgabe besteht ferner darin, ein entsprechendes Verfahren zur effizienten Bodenverdichtung vorzugschlagen.The present invention is based on the object of proposing an arrangement for soil compaction or for improving a building site that enables a particularly high compaction performance. The object is also to propose a corresponding method for efficient soil compaction.

Zur Lösung wird eine Tiefenrüttleranordnung zur Bodenverdichtung vorgeschlagen, umfassend: mehrere Tiefenrüttler, die jeweils eine in einem Rüttlergehäuse von einem Drehantrieb drehend antreibbare Unwucht sowie zumindest einen Sensor aufweisen, der ausgestaltet ist, um ein die Bewegung des jeweiligen Tiefenrüttlers repräsentierendes Bewegungssignals zu erfassen, eine Steuerungselektronik, an welche die Bewegungssignale der Tiefenrüttler weitergegeben werden, wobei die Drehantriebe der Tiefenrüttler von der Steuerungselektronik derart ansteuerbar sind, dass die Bewegungen der Tiefenrüttler zusammenwirkend aufeinander abgestimmt sind.To solve this problem, a deep vibrator arrangement for soil compaction is proposed, comprising: a plurality of deep vibrators, each of which has an imbalance that can be driven in rotation by a rotary drive in a vibrator housing and at least one sensor that is designed to detect a movement signal representing the movement of the respective deep vibrator, control electronics to which the movement signals of the deep vibrators are passed on, wherein the rotary drives of the deep vibrators can be controlled by the control electronics in such a way that the movements of the deep vibrators are coordinated with one another.

Ein Vorteil der Anordnung ist, dass das koordinierte, dynamisch synchronisierte Zusammenwirken mehrerer Tiefenrüttler ein besonders effizientes Verdichten ermöglicht, das heißt, die Anordnung mit aufeinander abgestimmter Steuerung der Tiefenrüttler ist effektiver als die Summe der Einzelkomponenten. Auf diese Weise kann mit einer Mehrzahl von kleineren Tiefenrüttlern die Wirkung eines Großgerätes erzeugt werden, ohne dessen Nachteile und Einschränkungen in Kauf nehmen zu müssen. Die Anzahl der Tiefenrüttler ist prinzipiell frei wählbar und kann an die baugrundtechnischen Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise kann die Anordnung zwei, drei, vier oder mehr Tiefenrüttler umfassen, die vorzugsweise symmetrisch angeordnet sind. Die Tiefenrüttler können auf einem oder mehreren Trägergeräten angeordnet sein. Der Abstand der Rüttler in der Gruppe ist ein wichtiger Parameter, welcher auf den zu verdichtenden Boden so abzustimmen ist, dass einerseits eine ausreichende Mobilisierung des umschlossenen Bereiches und anderseits eine möglichst große Reichweite erzielt werden soll. Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist, dass die instrumentierten Tiefenrüttler zur Durchführung von geomechanischen Versuchen zwecks Qualitätskontrolle genutzt werden können.One advantage of the arrangement is that the coordinated, dynamically synchronized interaction of several deep vibrators enables particularly efficient compaction, i.e. the arrangement with coordinated control of the deep vibrators is more effective than the sum of the individual components. In this way, the effect of a large device can be achieved with a number of smaller deep vibrators without having to accept its disadvantages and limitations. The number of deep vibrators can in principle be freely selected and can be adapted to the subsoil requirements. For example, the arrangement can comprise two, three, four or more deep vibrators, which are preferably arranged symmetrically. The deep vibrators can be arranged on one or more carrier devices. The distance between the vibrators in the group is an important parameter that must be coordinated with the soil to be compacted in such a way that, on the one hand, sufficient mobilization of the enclosed area and, on the other hand, the greatest possible range are achieved. Another advantage of the arrangement is that the instrumented deep vibrators can be used to carry out geomechanical tests for quality control purposes.

Alle Tiefenrüttler sind elektronisch mit einer zentralen Steuerungselektronik verbunden. Zur Regelung von Prozessparametern, wie der Frequenz, Unwucht, Wasserzugabe, Spitzendruck, etc. zwecks Optimierung des Verdichtungserfolges kann ein Regelkriterium zur Anwendung kommen, welches auf dem Nachlaufwinkel der Bodenreaktionskraft basiert und sowohl für den einzelnen Rüttler als auch für die synchronisierte Anwendung mehrerer Tiefenrüttler geeignet ist.All deep vibrators are electronically connected to a central control electronics. To control process parameters such as frequency, unbalance, water addition, Peak pressure, etc. In order to optimize the compaction success, a control criterion can be used which is based on the caster angle of the ground reaction force and is suitable both for the individual vibrator and for the synchronized application of several deep vibrators.

Eine synchronisierte Bewegung umfasst im Rahmen der vorliegenden Offenbarung insbesondere, dass die Positionen bzw. Bewegungen der Rüttler untereinander gleichbleiben bzw. sich regelmäßig wiederholen. Das kann für gleichsinnig, wie gegensinnig drehende Rüttler gelten. Die Winkelgeschwindigkeiten der Rüttler sind dabei vorzugsweise gleich. Alle Rüttler weisen in Bezug auf eine Bezugsrichtung vorzugsweise immer denselben Phasenwinkel auf, der in Drehrichtung insbesondere positiv gezählt wird.In the context of the present disclosure, a synchronized movement includes in particular that the positions or movements of the vibrators remain the same or repeat regularly. This can apply to vibrators rotating in the same or opposite directions. The angular speeds of the vibrators are preferably the same. All vibrators preferably always have the same phase angle with respect to a reference direction, which is counted as positive in the direction of rotation.

Ein Tiefenrüttler kann nach einer Ausführungsform eine Vorrichtung zur dynamischen Anregung, einen Antrieb zur Erzeugung der Anregung, optional Flügel zur Reduktion der Verdrehung während der Verdichtung, optionale Wasseraustrittsöffnungen an der Spitze und gegebenenfalls am Rüttlerstrang, eine dynamische Entkoppelung zum Rüttlerstrang sowie eine Aufhängung am Trägergerät aufweisen. Der Anregungsantrieb kann einen Motor, eine rotierende Welle, eine oder mehrere Unwuchten, die gegebenenfalls mit Umschlaggewicht ausgestattet sein können, umfassen.According to one embodiment, a deep vibrator can have a device for dynamic excitation, a drive for generating the excitation, optionally wings for reducing the twisting during compaction, optional water outlet openings at the tip and optionally on the vibrator line, a dynamic decoupling to the vibrator line and a suspension on the carrier device. The excitation drive can comprise a motor, a rotating shaft, one or more unbalanced masses, which can optionally be equipped with a turnover weight.

Nach einer Ausführungsform können die Tiefenrüttler jeweils mit Flügeln ausgestattet sein. Mit den Flügeln lässt sich das Bewegungsverhalten eines einzelnen Rüttlers sowie dessen Reichweite beeinflussen. Stehen die Flügel sämtlicher Rüttler einer Gruppe parallel zueinander, so ist zwar die Synchronisation der Rüttlerbewegungen einfacher zu bewerkstelligen, das Verdichtungsergebnis ist jedoch richtungsabhängig, was meist unerwünscht ist. Ein gleichmäßigeres Verdichtungsergebnis wird erreicht, wenn die Flügel weggelassen werden.According to one embodiment, the deep vibrators can each be equipped with wings. The wings can be used to influence the movement behavior of an individual vibrator and its range. If the wings of all the vibrators in a group are parallel to each other, synchronization of the vibrator movements is easier to achieve, but the compaction result is direction-dependent, which is usually undesirable. A more uniform compaction result is achieved if the wings are omitted.

Nach einer möglichen Ausführungsform können Verdrehsicherungsmittel vorgesehen sein, mit denen die Rüttler der Gruppe an ihrer Aufhängung am Verdrehen gehindert werden. Die Verwendung von Flügeln als Bremse der Rotation um die Vertikalachse ist somit nicht erforderlich, beziehungsweise deren Abmessungen kann reduziert werden.According to a possible embodiment, anti-rotation means can be provided to prevent the vibrators of the group from rotating at their suspension. The use of wings to brake the rotation around the vertical axis is therefore not necessary, or their dimensions can be reduced.

Die mögliche Sensorik kann je nach Anwendungsfall und Bedarf ausgewählt werden. Um die Bewegung mehrerer Rüttler zu synchronisieren, ist an jedem Rüttler zumindest ein Bewegungssensor vorgesehen, der ein die Bewegung des Rüttlers repräsentierendes Bewegungssignal erfasst. Wenn die Anregung synchronisiert werden soll, sind die Positionen der Unwuchten der Tiefenrüttler mittels Positionssensoren zu erfassen. Nach einer möglichen Ausführungsform können an jedem der Tiefenrüttler mehrere Sensoren angebracht sein, die das Bewegungsverhalten beziehungsweise die Beschleunigung und/oder die Lage der Unwucht sensieren. Es können mehrere Beschleunigungssensoren in verschiedenen Ebenen am Tiefenrüttler angebracht sein. Aus bidirektionalen Beschleunigungsmessungen in zwei Ebenen eines Rüttlers kann das horizontale Bewegungsverhalten an beliebigen Stellen des Rüttlers, beispielsweise an der Spitze oder der Lage der Unwuchtanregung ermittelt werden. Durch zweifache Integration dieser Horizontalbeschleunigungen können die zugehörigen Schwingwege ermittelt werden, welche halbiert zur Schwingweg-Amplitude A führen. Die Rüttlerbewegung hinkt der verursachenden dynamischen Anregung durch die drehend angetriebene Unwucht hinterher. Durch die Bestimmung der Lage der Unwucht und deren Vergleich mit der Rüttlerbewegung kann der Vorlaufwinkel ϕ ermittelt werden. Soweit im Rahmen der vorliegenden Offenbarung nur die Synchronisation der Rüttlerbewegung beschrieben wird, versteht es sich, dass die Gesetzmäßigkeiten ebenso auf die Synchronisation der Anregung anwendbar sind.The possible sensors can be selected depending on the application and requirements. In order to synchronize the movement of several vibrators, at least one motion sensor is provided on each vibrator, which detects a motion signal representing the movement of the vibrator. If the excitation is to be synchronized, the positions of the imbalances of the deep vibrators must be detected using position sensors. According to one possible embodiment, several sensors can be attached to each of the deep vibrators, which sense the movement behavior or the acceleration and/or the position of the imbalance. Several acceleration sensors can be attached to the deep vibrator at different levels. From bidirectional acceleration measurements in two levels of a vibrator, the horizontal movement behavior can be determined at any point on the vibrator, for example at the tip or the position of the imbalance excitation. By integrating these horizontal accelerations twice, the associated vibration paths can be determined, which, when halved, lead to the vibration path amplitude A. The vibrator movement lags behind the dynamic excitation caused by the rotating imbalance. By determining the position of the imbalance and comparing it with the vibrator movement, the lead angle ϕ can be determined. As far as only the synchronization of the vibrator movement is described within the scope of the present disclosure, it is understood that the laws are also applicable to the synchronization of the excitation.

Wird die Verdrehung der Tiefenrüttler um die Vertikalachse nicht mechanisch unterbunden, ist eine Messung der Verdrehung erforderlich, um diese bei der Synchronisation kompensieren zu können. Ferner kann optional die Motorleistung und/oder die Temperatur des Antriebsmotors mittels entsprechender Leistungs- beziehungsweise Temperatursensoren erfasst werden. Nach einer Ausführungsform können auch die Drücke und/oder Durchflussmengen für Spitzenwasser, Unterwasser und/oder Oberwasser mittels entsprechender Druck- und/oder Durchflusssensoren erfasst werden. Eine dynamische Reaktion des Bodens kann optional mittels Sensoren auf der Oberfläche und/oder in der Tiefe gemessen werden, wobei die tiefen Sensoren unter dem Grundwasser auch die Porenwasserdrücke ermitteln können. Aus dem bekannten Gewicht des Rüttlers und einer gemessenen Kranlast kann bei Bedarf eine vertikale Belastung des Bodens durch den Rüttler bestimmt werden. Wenn Tiefenrüttler mit Flügeln verwendet werden, kann optional durch eine Messung der Rüttlerverdrehung die Orientierung der Flügel bestimmt werden, welche einen Einfluss auf die Rüttlerbewegung hat.If the rotation of the deep vibrators around the vertical axis is not mechanically prevented, the rotation must be measured in order to compensate for it during synchronization. Furthermore, the motor power and/or the temperature of the drive motor can optionally be recorded using corresponding power or temperature sensors. According to one embodiment, the pressures and/or flow rates for peak water, underwater water and/or headwater can also be recorded using corresponding pressure and/or flow sensors. A dynamic reaction of the soil can optionally be measured using sensors on the surface and/or in depth, whereby the deep sensors under the groundwater can also determine the pore water pressures. From the known weight of the vibrator and a measured crane load, a vertical load can be calculated if necessary. of the soil by the vibrator. If deep vibrators with blades are used, the orientation of the blades can optionally be determined by measuring the vibrator rotation, which has an influence on the vibrator movement.

Vorzugsweise haben die Tiefenrüttler für die Synchronisation Leistungsreserven. Die Steuerungselektronik kann ausgestaltet sein, um abhängig von den Bewegungssignalen der Tiefenrüttler den Drehantrieb eines der Tiefenrüttler primär zu steuern, und den Drehantrieb zumindest eines anderen der Tiefenrüttler sekundär zu steuern, derart, dass die Drehbewegung des sekundär gesteuerten Drehantriebs auf die Drehbewegung des primär gesteuerten Drehantriebs zusammenwirkend abgestimmt ist. Dabei ist die Steuerungselektronik vorzugsweise ausgestaltet, um die Drehbewegung des sekundär gesteuerten Drehantriebs synchron zur Drehbewegung des primär gesteuerten Drehantriebs zu steuern, insbesondere mit gleicher Bewegungsgeschwindigkeit.The deep vibrators preferably have power reserves for synchronization. The control electronics can be designed to primarily control the rotary drive of one of the deep vibrators depending on the movement signals of the deep vibrators, and to secondarily control the rotary drive of at least one other of the deep vibrators, such that the rotary movement of the secondarily controlled rotary drive is coordinated with the rotary movement of the primarily controlled rotary drive. The control electronics are preferably designed to control the rotary movement of the secondarily controlled rotary drive synchronously with the rotary movement of the primarily controlled rotary drive, in particular with the same movement speed.

Der primäre Tiefenrüttler kann auch als "Master" bezeichnet werden, während der beziehungsweise die anderen Tiefenrüttler im abhängigen Modus betrieben werden, was auch als "Slave"-Betrieb bezeichnet werden kann. Ein beliebiger Tiefenrüttler der Gruppe kann als "Master" ausgewählt und ausreichend unter seiner Leistungsgrenze betrieben werden. Die übrigen Tiefenrüttler der Anordnung können im "Slave"-Betrieb geregelt werden, deren Bewegungen (beziehungsweise Anregung) der Bewegung (beziehungsweise Anregung) der des "Master" folgt. Die einzelnen Tiefenrüttler können eine autarke Energieversorgung aufweisen. Bei heterogenen Bodenverhältnissen oder unterschiedlicher Rüttler-Charakteristik kann ein Algorithmus jenen Rüttler, dessen Leistungsreserven erschöpft sind, zum "Master" ernennen, nach dem sich die übrigen Rüttler, welche noch Leistungsreserven besitzen, zu richten haben beziehungsweise diesem regelungstechnisch nachlaufen. Wird gleitend von einer Betriebsweise zu einer anderen gewechselt, so kann der "Master"-Rüttler unbeirrt weiterlaufen, während sich die anderen kontrolliert phasenmäßig zurückfallen lassen, das heißt etwas langsamer drehen, bis die Phasenlage der neuen Betriebsweise erreicht ist und so gehalten werden kann.The primary deep vibrator can also be referred to as the "master", while the other deep vibrators are operated in dependent mode, which can also be referred to as "slave" operation. Any deep vibrator in the group can be selected as the "master" and operated sufficiently below its power limit. The other deep vibrators in the arrangement can be controlled in "slave" mode, with their movements (or excitation) following the movement (or excitation) of the "master". The individual deep vibrators can have an independent power supply. In the case of heterogeneous soil conditions or different vibrator characteristics, an algorithm can appoint the vibrator whose power reserves are exhausted as the "master", which the other vibrators that still have power reserves must follow or follow in terms of control technology. If you switch smoothly from one operating mode to another, the "master" vibrator can continue to run undisturbed, while the others can drop back in phase in a controlled manner, i.e. rotate a little slower, until the phase position of the new operating mode is reached and can be maintained.

Mit der Gruppe aus mindestens zwei synchronisierten Rüttlern ist es insgesamt möglich, Böden effektiv zu bearbeiten, welche für einen Einzelrüttler bereits problematisch sind, weil der von den Rüttlern umschlossene Bereich mobilisiert werden kann. Dies ist deshalb möglich, weil die Anordnung aus flexibel korrelierbaren Einzelkomponenten gebildet ist, die zusammenwirken und beispielsweise auch einen Großrüttler simulieren können, der wahlweise auch seine Form und/oder sein Volumen dynamisch verändern kann. Je nach geotechnischem und betrieblichem Bedarf gibt es unterschiedliche Möglichkeiten der Synchronisation, welche unterschiedlichen Betriebsweisen zugeordnet werden können.With the group of at least two synchronized vibrators, it is possible to effectively work soils that would already be problematic for a single vibrator. because the area enclosed by the vibrators can be mobilized. This is possible because the arrangement is made up of flexibly correlable individual components that work together and can, for example, simulate a large vibrator that can optionally change its shape and/or volume dynamically. Depending on geotechnical and operational requirements, there are different options for synchronization, which can be assigned to different operating modes.

Nach einer ersten Betriebsweise kann die Steuerungselektronik die Drehbewegungen mehrerer der Tiefenrüttler mit der gleichen Drehrichtung, der gleichen Phasenlage und der gleichen Winkelgeschwindigkeit regeln. Diese Betriebsweise ähnelt der eines Großrüttlers. In dieser Betriebsweise sind die Rüttlerbewegungen (bzw. Anregungen) so synchronisiert, dass es zu einer gemeinsamen Parallelverschiebung der gesamten Gruppe kommt. Eine Selbstsynchronisation in dieser Betriebsweise ist zwar nicht ausgeschlossen, wird aber wegen deren Unverlässlichkeit und der entsprechenden Phasenverschiebungen nicht angestrebt. Bodenmechanisch wird eine große Reichweite erzielt, der von den Rüttlern umschlossene Bereich wird in Ermangelung von Schubverzerrungen nicht maximal beansprucht. Die Erschütterungswirkung auf die Umgebung ist beträchtlich. Dies ist zwar für die meisten Baustellen der Tiefenverdichtung belanglos, die Energie, welche für die Erschütterung der Umgebung aufgewendet wird (geometrische Dämpfung), ist jedoch für die Bodenverdichtung verloren.After a first mode of operation, the control electronics can regulate the rotary movements of several of the deep vibrators with the same direction of rotation, the same phase position and the same angular speed. This mode of operation is similar to that of a large vibrator. In this mode of operation, the vibrator movements (or excitations) are synchronized in such a way that a common parallel displacement of the entire group occurs. Self-synchronization in this mode of operation is not excluded, but is not sought because of its unreliability and the corresponding phase shifts. In terms of soil mechanics, a large range is achieved, the area enclosed by the vibrators is not subjected to maximum stress due to the lack of shear distortions. The vibration effect on the environment is considerable. Although this is irrelevant for most deep compaction construction sites, the energy used to vibrate the environment (geometric damping) is lost for soil compaction.

Nach einer zweiten Betriebsweise kann die Steuerungselektronik die Drehbewegungen von mindestens zwei der Tiefenrüttler mit der gleichen Drehrichtung, der gleichen Winkelgeschwindigkeit und um 180° gegeneinander versetzten Phasenlagen regeln. Diese Betriebsweise kann auch als" Oszillation und Kompression" bezeichnet werden. Dabei werden die in gleicher Drehrichtung laufenden Unwuchten der Tiefenrüttler dermaßen synchronisiert, dass die Horizontalkräfte auf den Boden einander egalisieren und global ein dynamisches Torsionsmoment um die Vertikalachse entsteht. Bei Betrieb wird das sich um die Vertikalachse dynamisch abwechselnd im und gegen den Uhrzeigersinn drehende (oszillierende) Muster auch zyklisch abwechselnd kleiner und größer (Kompression und Expansion). Außerhalb des umgebenden Bereiches werden durch das Oszillieren Schubverzerrungen erzeugt, die der Verdichtung dienen.In a second mode of operation, the control electronics can regulate the rotary movements of at least two of the deep vibrators with the same direction of rotation, the same angular speed and phase positions offset by 180° from one another. This mode of operation can also be referred to as "oscillation and compression". The imbalances of the deep vibrators, which rotate in the same direction, are synchronized in such a way that the horizontal forces on the ground cancel each other out and a dynamic torsional moment is created globally around the vertical axis. During operation, the pattern that dynamically rotates around the vertical axis alternately clockwise and anticlockwise (oscillating) also cyclically becomes smaller and larger (compression and expansion). Outside the surrounding area, the oscillation generates shear distortions that serve to compact the material.

Nach einer dritten Betriebsweise kann die Steuerungselektronik ausgestaltet sein, um die Drehbewegungen von mindestens zwei der Tiefenrüttler ausgehend von einer gleichen Phasenlage in einer durch die Längsachsen der Tiefenrüttler aufgespannten Bezugsebene mit entgegengesetzten Drehrichtungen und der gleichen Winkelgeschwindigkeit zu steuern. Diese Betriebsweise kann auch als "Richtschwinger mit Oszillation" bezeichnet werden.According to a third mode of operation, the control electronics can be designed to control the rotary movements of at least two of the deep vibrators starting from an identical phase position in a reference plane spanned by the longitudinal axes of the deep vibrators with opposite directions of rotation and the same angular speed. This mode of operation can also be referred to as a "directional vibrator with oscillation".

Nach einer vierten Betriebsweise kann die Steuerungselektronik ausgestaltet sein, um die Drehbewegungen von mindestens zwei der Tiefenrüttler ausgehend von einer gleichen Phasenlage senkrecht zu einer durch die Längsachsen der Tiefenrüttler aufgespannten Bezugsebene mit entgegengesetzten Drehrichtungen und der gleichen Winkelgeschwindigkeit zu steuern. Diese Betriebsweise kann auch als "Richtschwinger mit Kompression" bezeichnet werden. Bei Verwendung einer Anordnung mit vier Tiefenrüttlern, deren Achsen ein Rechteck einschließend angeordnet werden können, können die Unwuchten der Tiefenrüttler diagonalweise in unterschiedlicher Drehrichtung betrieben werden. Dabei können die Tiefenrüttler so synchronisiert werden, dass sie in der Betriebsweise "Richtschwinger" arbeiten, wobei die globale Schwingrichtung, in die alle Rüttler phasengleich wirken, frei eingestellt werden kann. Quer dazu egalisieren einander die Kräfte auf den Boden, sodass nur lokale Schubverzerrungen stattfinden. Um eine gleichmäßige Reichweite der Verdichtung um die Gruppe zu erreichen, kann die globale Schwingrichtung stufenlos rotiert werden, wobei bei jedem Verdichtungsschritt zumindest eine halbe Umdrehung (oder ein ganzzahliges Vielfaches davon) bewerkstelligt werden sollte. Die Erschütterung der Umgebung und die damit für die Verdichtung verlorene Energie sind relativ hoch, ähnlich wie beim "Großrüttler". Bei rotierender Schwingrichtung ist die Erschütterung der Umgebung pulsierend wahrnehmbar.According to a fourth mode of operation, the control electronics can be designed to control the rotary movements of at least two of the deep vibrators, starting from an identical phase position perpendicular to a reference plane spanned by the longitudinal axes of the deep vibrators, with opposite directions of rotation and the same angular speed. This mode of operation can also be referred to as "directional vibrator with compression". When using an arrangement with four deep vibrators, the axes of which can be arranged to enclose a rectangle, the imbalances of the deep vibrators can be operated diagonally in different directions of rotation. The deep vibrators can be synchronized so that they work in "directional vibrator" mode, whereby the global direction of vibration, in which all vibrators act in phase, can be freely set. Perpendicular to this, the forces on the ground equalize each other so that only local shear distortions occur. In order to achieve a uniform range of compaction around the group, the global direction of vibration can be rotated continuously, whereby at least half a rotation (or an integer multiple thereof) should be achieved with each compaction step. The vibration of the environment and the energy lost for compaction are relatively high, similar to the "large vibrator". With a rotating direction of vibration, the vibration of the environment can be perceived as a pulsating sound.

In einer Ausführungsform können vier beispielsweise quadratisch oder rechteckig angeordnete Tiefenrüttler verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Es versteht sich jedoch, dass für sämtliche Aufstellungen unterschiedliche Rüttleranzahlen anwendbar sind. Bei einer Ausführungsform mit mehr als zwei, insbesondere mit vier Tiefenrüttlern können neben allen vorstehend genannten Betriebsweisen "Großrüttler", "Oszillation mit Kompression" und "Richtschwinger", alternativ oder ergänzend abgewandelte und weitere Betriebsweisen realisiert werden. Bei einigen Betriebsweisen können sich die auf den Boden wirkenden Kräfte weitgehend egalisieren. Durch die fehlende globale Wirkung auf den Boden kann die Erschütterung der Umgebung minimiert werden, und die eingebrachte Energie steht primär der lokalen Verdichtung und Mobilisierung zur Verfügung.In one embodiment, four deep vibrators arranged in a square or rectangular shape, for example, can be used, but this is not limited to them. However, it is understood that different numbers of vibrators can be used for all configurations. In an embodiment with more than two, in particular with four deep vibrators, in addition to all of the above-mentioned operating modes "large vibrator", "oscillation with compression" and "directional vibrator", alternatively or additionally modified and other operating modes can be implemented. In some operating modes the forces acting on the ground can largely be equalized. Due to the lack of a global effect on the ground, the vibration of the surrounding area can be minimized and the energy introduced is primarily available for local compaction and mobilization.

Insbesondere ist ein weiterer Betriebsmodus für vier Tiefenrüttler dadurch gekennzeichnet, dass alle Rüttler in der gleichen Drehrichtung derart synchronisiert werden, dass sich die Rüttler der einen Diagonale zueinander bewegen, während sich die Rüttler der anderen Diagonale auseinander bewegen. Dies kann wechselweise zyklisch durch die dynamische Anregung geschehen. Lokal wird der Bodenbereich zwischen den Rüttlern dadurch dynamischen Schubverzerrungen unterworfen, weswegen diese Betriebsweise auch als "Schubverzerrung" bezeichnet werden kann. Dabei führen die Schubverzerrungen in hoch effektiver Weise zur Mobilisierung und Verdichtung des Bodens.In particular, another operating mode for four deep vibrators is characterized by the fact that all vibrators are synchronized in the same direction of rotation in such a way that the vibrators on one diagonal move towards each other while the vibrators on the other diagonal move apart. This can be done alternately and cyclically by the dynamic excitation. Locally, the soil area between the vibrators is subjected to dynamic shear distortions, which is why this mode of operation can also be referred to as "shear distortion". The shear distortions lead to the mobilization and compaction of the soil in a highly effective manner.

Ein weiterer Betriebsmodus für eine Anordnung mit vier Rüttlern ist dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchten der Tiefenrüttler diagonalweise in unterschiedlicher Drehrichtung angetrieben werden. Die lokale Einwirkung auf den Boden erfolgt durch eine Kombination von dynamischen Schubverzerrungen, welche mit der Kompressions- und Expansionsbewegung abgewechselt werden. Diese Betriebsweise kann auch als "Schubverzerrung mit Kompression" bezeichnet werden.Another operating mode for an arrangement with four vibrators is characterized by the fact that the imbalances of the deep vibrators are driven diagonally in different directions of rotation. The local impact on the ground is achieved by a combination of dynamic shear distortions, which alternate with compression and expansion movements. This operating mode can also be referred to as "shear distortion with compression".

Ein Tiefenrüttler kann auf einem Trägergerät, beispielsweise einem Seilbagger, angeordnet sein und entweder frei hängend oder geführt (Mäkler) in den zu verdichtenden Boden einvibriert werden. Bei Erreichen der Endteufe können die Frequenz und/oder die Exzentrizität der dynamischen Anregung umgestellt werden, um den Boden in Abhängigkeit von dessen Eigenschaften von unten nach oben schrittweise ziehend oder im Pilgerschritt stopfend, mit Materialzugabe von oben oder an der Spitze (Schleusenrüttler) mit Wasserzugabe an der Spitze (Unterwasser) und gegebenenfalls am Rüttlerstrang (Oberwasser), zu verdichten. Das Verdichten kann im Raster, beispielsweise dreieckig oder quadratisch, erfolgen und auf die Kombination Untergrundeigenschaften - Verdichtungsgerät - Verdichtungsanforderung abgestimmt und optimiert werden. Erforderlichenfalls kann nach dem Abarbeiten des ersten Rasters noch in einem zusätzlichen Raster, insbesondere ein Sekundärraster in den Zwischenpunkten, zu verdichten sein.A deep vibrator can be mounted on a carrier device, for example a cable excavator, and can be vibrated into the soil to be compacted either freely suspended or guided (leader). When the final depth is reached, the frequency and/or the eccentricity of the dynamic excitation can be changed in order to compact the soil, depending on its properties, by pulling it step by step from bottom to top or by tamping it in a pilgrim step, with material added from above or at the tip (lock vibrator) with water added at the tip (underwater) and, if necessary, on the vibrator line (upstream). Compaction can be carried out in a grid, for example triangular or square, and can be coordinated and optimized to the combination of subsoil properties - compaction device - compaction requirement. If necessary, after the first grid has been processed, an additional Grid, especially a secondary grid in the intermediate points, should be densified.

Nach einer Verfahrensführung kann die Unwucht derart drehend angetrieben werden, dass eine Frequenz der Drehbewegung über einen Messzeitraum verändert wird, wobei die Schwingungsamplitude (A) des Tiefenrüttlers während des Messzeitraums ermittelt wird. Dabei wird der Frequenzbereich insbesondere so gewählt, dass zumindest über einen Teilbereich des Frequenzbereichs das Rüttlergehäuse und der umgebende Boden miteinander gekoppelt in Schwingung versetzt werden. Die Unwucht kann aus einem Stillstand drehend angetrieben werden, sodass die Frequenz der Drehbewegung von Null beginnend über den Messzeitraum gesteigert wird. Dabei kann die Frequenz über den Frequenzbereich insbesondere progressiv gesteigert werden. Diese Verfahrensführung kann im Rahmen der Bodenverbesserung in verschiedenen Tiefenlagen durchgeführt werden. Hierfür wird der eigentliche Bearbeitungsprozess gestoppt und anschließend die Unwucht in der beschriebenen Weise angetrieben. Dieses Verfahren kann auch als "Horchstopp" bezeichnet werden.According to a procedure, the unbalance can be driven in rotation in such a way that a frequency of the rotational movement is changed over a measurement period, whereby the vibration amplitude (A) of the deep vibrator is determined during the measurement period. In particular, the frequency range is selected so that the vibrator housing and the surrounding soil are coupled to one another and vibrate over at least a portion of the frequency range. The unbalance can be driven in rotation from a standstill so that the frequency of the rotational movement is increased starting from zero over the measurement period. In particular, the frequency can be increased progressively across the frequency range. This procedure can be carried out at different depths as part of soil improvement. For this, the actual processing process is stopped and then the unbalance is driven in the manner described. This procedure can also be referred to as a "listening stop".

Das Ermitteln der Schwingungsamplitude während einer Veränderung der Frequenz der Drehbewegung der Unwucht führt vorteilhaft zu besonders genauen und verlässlichen Ergebnissen, da der Tiefenrüttler dabei vergleichbar mit einer Messsonde verwendet wird, indem ein Frequenzgang durchfahren wird. Die Bedingungen für eine Messung sind dabei besser als bei einem Verdichtungsbetrieb des Tiefenrüttlers. Die Schwingungsamplitude ist ein wesentlicher Parameter für eine Bewertung der Verdichtung des Bodens. Der Tiefenrüttler wird dabei insbesondere nicht ausschließlich für den beschriebenen Messvorgang in den Boden eingebracht. Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren während einer Verdichtung des Bodens mittels des Tiefenrüttlers anwendbar, beziehungsweise im Wechsel mit dem Verdichtungsvorgang durchführbar.Determining the vibration amplitude during a change in the frequency of the rotational movement of the unbalance advantageously leads to particularly precise and reliable results, since the deep vibrator is used in a similar way to a measuring probe by running through a frequency response. The conditions for a measurement are better than when the deep vibrator is being used for compaction. The vibration amplitude is an important parameter for evaluating the compaction of the soil. The deep vibrator is not introduced into the soil exclusively for the measuring process described. The method according to the invention can advantageously be used during compaction of the soil using the deep vibrator, or can be carried out alternately with the compaction process.

Nach einer weiteren Verfahrensführung kann ein Bodensteifigkeitswert (k) auf Basis zumindest der Schwingungsamplitude (A) und optional auch unter Berücksichtigung des Vorlaufwinkels (ϕ) berechnet werden. Der Vorlaufwinkel (ϕ) bezeichnet den Phasenwinkel, um welchen die Unwuchtmasse gegenüber der Messrichtung der Sensoren bei der Rüttelbewegung versetzt ist. In Ergänzung kann das die Bodensteifigkeit des Bodens repräsentierende Bodensteifigkeitssignal (k) auch unter Berücksichtigung der Masse (M) des Tiefenrüttlers berechnet werden. Alternativ oder in Ergänzung kann das Ermitteln des die Bodensteifigkeit des Bodens repräsentierenden Bodensteifigkeitssignals (k) unter Berücksichtigung eines die am Tiefenrüttler mitschwingende Bodenmasse repräsentierenden Bodenmassenkennwerts (ΔM) durchgeführt werden, insbesondere der modalen mitschwingenden Bodenmasse. Dieser die mitschwingende Bodenmasse repräsentierende Bodenmassenkennwert (ΔM) kann beispielsweise auf Basis der Unwucht (m · e), der Schwingungsamplitude (A) und der Masse (M) des Tiefenrüttlers berechnet werden, wobei die Berechnung insbesondere zumindest näherungsweise gemäß der Formel: ΔM = m e A M

Figure imgb0001
erfolgen kann.According to a further procedure, a soil stiffness value (k) can be calculated based on at least the vibration amplitude (A) and optionally also taking into account the lead angle (ϕ). The lead angle (ϕ) refers to the phase angle by which the unbalance mass is offset from the measuring direction of the sensors during the vibration movement. In addition, this can be the soil stiffness of the The soil stiffness signal (k) representing the soil can also be calculated taking into account the mass (M) of the deep vibrator. Alternatively or in addition, the determination of the soil stiffness signal (k) representing the soil stiffness of the soil can be carried out taking into account a soil mass characteristic value (ΔM) representing the soil mass vibrating on the deep vibrator, in particular the modal soil mass. This soil mass characteristic value (ΔM) representing the soil mass vibrating can be calculated, for example, on the basis of the imbalance (m · e), the vibration amplitude (A) and the mass (M) of the deep vibrator, the calculation being carried out in particular at least approximately according to the formula: ΔM = m e A M
Figure imgb0001
can be done.

Nach einer bevorzugten Verfahrensführung kann das Ermitteln des die Bodensteifigkeit des Bodens repräsentierenden Bodensteifigkeitssignals (k) auch unter Berücksichtigung der gemessenen Amplitude (A) und einer Vergleichsamplitude (A∞) erfolgen. Als Vergleichsamplitude kann insbesondere die Amplitude des Rüttlers bei einer bestimmten Erregerfrequenz (ω) bei freier Schwingung verwendet werden. Um die Vergrößerungsfunktion (V) zu berechnen, kann die gemessene Schwingweg-Amplitude (A) auf die theoretische Amplitude (A∞) bei theoretisch unendlich hoher Erregerfrequenz bezogen werden, das heißt V = A A = A M + ΔM m e

Figure imgb0002
wobei M die modale Rüttlermasse, ΔM die modale mitschwingende Bodenmasse und m · e die Unwucht im Rüttler (Unwuchtmasse mal Exzentrizität) ist. Bei freier Schwingung beträgt der Vergrößerungsfaktor eins.According to a preferred method, the determination of the soil stiffness signal (k) representing the soil stiffness of the soil can also be carried out taking into account the measured amplitude (A) and a comparison amplitude (A∞). The amplitude of the vibrator at a certain excitation frequency (ω) during free vibration can be used as the comparison amplitude. In order to calculate the magnification function (V), the measured vibration path amplitude (A) can be related to the theoretical amplitude (A∞) at a theoretically infinitely high excitation frequency, i.e. V = A A = A M + ΔM m e
Figure imgb0002
where M is the modal vibrator mass, ΔM is the modal vibrating soil mass and m · e is the unbalance in the vibrator (unbalance mass times eccentricity). In the case of free vibration, the magnification factor is one.

Nach einer möglichen Verfahrensführung kann die Ermittlung des die Bodensteifigkeit des Bodens repräsentierenden Bodensteifigkeitssignals (k) zumindest näherungsweise nach der Formel: k = m e ω 2 1 A 1 A sign ϕ 90 ° 1 + tan 2 ϕ

Figure imgb0003
berechnet werden, wobei

  • A die Schwingungsamplitude des Tiefenrüttlers während des Verdichtens,
  • A∞ die Schwingungsamplitude des Tiefenrüttlers bei freier Schwingung, beziehungsweise bei gegen unendlich laufender Erregerfrequenz,
  • F die Zentrifugalkraft,
  • m die Unwuchtmasse,
  • e die Exzentrizität der rotierenden Unwucht m zur Drehachse,
  • ω die Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Unwucht, und
  • ϕ der Phasenvorlauf der rotierenden Unwucht m zur Masse M des Tiefenrüttlers,
sind. Mit dieser Formel wird auch der dynamische Anteil der schwingungsrelevanten Größen berücksichtigt. Es versteht sich jedoch, dass grundsätzlich auch andere Berechnungsmethoden für die Berechnung eines die Steifigkeit des Bodens repräsentierenden Steifigkeitssignals möglich sind. Beispielsweise kann eine Berechnung auch gemäß der nachstehenden Formel erfolgen: k m e ω 2 A
Figure imgb0004
According to a possible procedure, the determination of the soil stiffness of the soil stiffness signal (k) representing the soil at least approximately according to the formula: k = m e ω 2 1 A 1 A sign ϕ 90 ° 1 + tan 2 ϕ
Figure imgb0003
be calculated, where
  • A is the vibration amplitude of the deep vibrator during compaction,
  • A∞ is the vibration amplitude of the deep vibrator during free vibration, or when the excitation frequency is running towards infinity,
  • F is the centrifugal force,
  • m is the unbalance mass,
  • e is the eccentricity of the rotating unbalance m to the axis of rotation,
  • ω is the angular velocity of the rotating unbalance, and
  • ϕ is the phase advance of the rotating unbalance m to the mass M of the deep vibrator,
This formula also takes into account the dynamic part of the vibration-relevant quantities. However, it is understood that other calculation methods are also possible for calculating a stiffness signal representing the stiffness of the ground. For example, a calculation can also be carried out according to the following formula: k m e ω 2 A
Figure imgb0004

Nach einer möglichen Verfahrensführung kann mit der Tiefenrüttleranordnung auch ein Crosshole-Test durchgeführt werden. Hierfür wird die Verdichtungstätigkeit kurzfristig unterbrochen. Ein beliebiger der Tiefenrüttler wird aktiv betrieben, und zumindest eine Teilzahl der anderen Tiefenrüttler wird passiv betrieben, wobei die passiv betriebenen Tiefenrüttler mittels ihrer Sensorik die Signale des aktiven Tiefenrüttlers erfassen, welche sie durch den dazwischenliegenden Boden erreichen.According to one possible procedure, a crosshole test can also be carried out with the deep vibrator arrangement. For this purpose, the compaction activity is briefly interrupted. Any one of the deep vibrators is operated actively, and at least some of the other deep vibrators are operated passively, with the passively operated deep vibrators using their sensors to record the signals from the active deep vibrator that they receive through the ground in between.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:

Figur 1
einen beispielhaften Tiefenrüttler, der für eine erfindungsgemäße Anordnung verwendbar ist;
Figur 2
eine erfindungsgemäße Tiefenrüttleranordnung zur Bodenverdichtung in einer ersten Ausführungsform mit zwei Tiefenrüttlern in Schnittdarstellung;
Figur 3A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 2 während des Betriebs in einer ersten Betriebsweise;
Figur 3B
die Tiefenrüttleranordnung in der Betriebsweise gemäß Figur 3A nach einer Viertel Periode beziehungsweise 90° Verdrehung;
Figur 4A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 2 während des Betriebs in einer zweiten Betriebsweise;
Figur 4B
die Tiefenrüttleranordnung in der Betriebsweise gemäß Figur 4A nach einer Viertel Periode beziehungsweise 90° Verdrehung;
Figur 5A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 2 während des Betriebs in einer dritten Betriebsweise;
Figur 5B
die Tiefenrüttleranordnung in der Betriebsweise gemäß Figur 5A nach einer Viertel Periode beziehungsweise 90° Verdrehung;
Figur 6A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 2 während des Betriebs in einer vierten Betriebsweise;
Figur 6B
die Tiefenrüttleranordnung in der Betriebsweise gemäß Figur 6A nach einer Viertel Periode;
Figur 7A
eine erfindungsgemäße Tiefenrüttleranordnung zur Bodenverdichtung in einer zweiten Ausführungsform mit vier Tiefenrüttlern schematisch in Draufsicht in einer ersten Betriebsweise;
Figur 7B
die Tiefenrüttleranordnung aus Figur 7A schematisch im Längsschnitt beziehungsweise Seitenansicht;
Figur 8A
zum Vergleich einen einzigen Tiefenrüttler zur Bodenverdichtung schematisch in Draufsicht;
Figur 8B
den Tiefenrüttler aus Figur 8A schematisch im Längsschnitt beziehungsweise Seitenansicht;
Figur 9A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 7A in einer ersten Betriebsweise;
Figur 9B
die Tiefenrüttleranordnung aus Figur 9A nach einer Viertel Periode;
Figur 10A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 7A in einer zweiten Betriebsweise;
Figur 10B
die Tiefenrüttleranordnung aus Figur 10A nach einer Viertel Periode;
Figur 11A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 7A in einer dritten Betriebsweise;
Figur 11B
die Tiefenrüttleranordnung aus Figur 11A nach einer Viertel Periode;
Figur 12A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 7A in einer vierten Betriebsweise;
Figur 12B
die Tiefenrüttleranordnung aus Figur 12A nach einer Viertel Periode;
Figur 13A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 7A in einer fünften Betriebsweise;
Figur 13B
die Tiefenrüttleranordnung aus Figur 13A nach einer Viertel Periode;
Figur 14A
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 7A in einer sechsten Betriebsweise;
Figur 14B
die Tiefenrüttleranordnung aus Figur 14A nach einer Viertel Periode;
Figur 15
einen Tiefenrüttler der Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 2 während des Betriebs in einer weiteren Betriebsweise;
Figur 16
die Tiefenrüttleranordnung gemäß Figur 2 während des Betriebs in einer weiteren Betriebsweise;
Figur 17A
schematisch einen Schnitt durch den Rüttler in der Erregerebene im Nullversuch, frei in der Luft hängend;
Figur 17B
schematisch einen Schnitt durch den Rüttler in der Erregerebene bei der Verdichtung im Boden; und
Figur 18
schematisch den geometrischen Zusammenhang von Kraft und Auslenkung zur Bestimmung der Größe und Lage der Bodenreaktionskraft.
Preferred embodiments are explained below with reference to the drawing figures. Herein:
Figure 1
an exemplary deep vibrator that can be used for an arrangement according to the invention;
Figure 2
a deep vibrator arrangement according to the invention for soil compaction in a first embodiment with two deep vibrators in a sectional view;
Figure 3A
the deep vibrator arrangement according to Figure 2 during operation in a first operating mode;
Figure 3B
the deep vibrator arrangement in the operating mode according to Figure 3A after a quarter period or 90° rotation;
Figure 4A
the deep vibrator arrangement according to Figure 2 during operation in a second operating mode;
Figure 4B
the deep vibrator arrangement in the operating mode according to Figure 4A after a quarter period or 90° rotation;
Figure 5A
the deep vibrator arrangement according to Figure 2 during operation in a third mode of operation;
Figure 5B
the deep vibrator arrangement in the operating mode according to Figure 5A after a quarter period or 90° rotation;
Figure 6A
the deep vibrator arrangement according to Figure 2 during operation in a fourth mode of operation;
Figure 6B
the deep vibrator arrangement in the operating mode according to Figure 6A after a quarter period;
Figure 7A
a deep vibrator arrangement according to the invention for soil compaction in a second embodiment with four deep vibrators schematically in plan view in a first operating mode;
Figure 7B
the deep vibrator arrangement Figure 7A schematically in longitudinal section or side view;
Figure 8A
for comparison, a single deep vibrator for soil compaction schematically in plan view;
Figure 8B
the deep vibrator Figure 8A schematically in longitudinal section or side view;
Figure 9A
the deep vibrator arrangement according to Figure 7A in a first mode of operation;
Figure 9B
the deep vibrator arrangement Figure 9A after a quarter period;
Figure 10A
the deep vibrator arrangement according to Figure 7A in a second operating mode;
Figure 10B
the deep vibrator arrangement Figure 10A after a quarter period;
Figure 11A
the deep vibrator arrangement according to Figure 7A in a third mode of operation;
Figure 11B
the deep vibrator arrangement Figure 11A after a quarter period;
Figure 12A
the deep vibrator arrangement according to Figure 7A in a fourth mode of operation;
Figure 12B
the deep vibrator arrangement Figure 12A after a quarter period;
Figure 13A
the deep vibrator arrangement according to Figure 7A in a fifth mode of operation;
Figure 13B
the deep vibrator arrangement Figure 13A after a quarter period;
Figure 14A
the deep vibrator arrangement according to Figure 7A in a sixth mode of operation;
Figure 14B
the deep vibrator arrangement Figure 14A after a quarter period;
Figure 15
a deep vibrator of the deep vibrator arrangement according to Figure 2 during operation in another operating mode;
Figure 16
the deep vibrator arrangement according to Figure 2 during operation in another operating mode;
Figure 17A
schematically a cross-section through the vibrator in the excitation plane in the zero test, hanging freely in the air;
Figure 17B
schematically a section through the vibrator in the excitation plane during compaction in the soil; and
Figure 18
schematically the geometric relationship between force and deflection for determining the magnitude and position of the ground reaction force.

Die Figuren 1 und 2 werden nachstehend gemeinsam beschrieben. Ein Tiefenrüttler 2 dient zum Verdichten von Boden mittels einer Unwucht. Als Unwucht wird ein rotierender Körper 3 verstanden, dessen Masse nicht rotationssymmetrisch verteilt ist. Die Massenträgheitsachse des Massekörpers 3 ist gegenüber der Rotationsachse B versetzt, so dass die Unwucht beim Rotieren Schwingungen erzeugt, mit denen das Erdreich und mögliches Zugabematerial Z verdichtet wird. Das Verfahren der Rütteldruckverdichtung beruht auf dem Effekt, dass durch die Vibration des Tiefenrüttlers 2 die Reibung zwischen den Bodenkörnern kurzzeitig aufgehoben wird und vorhandene Porenräume infolge der Schwerkraft nahezu bis zur dichtesten Lagerung zufallen. Je nach Bodenbeschaffenheit und Verdichtungsaufwand tritt dabei eine Volumenverminderung ein.The Figures 1 and 2 are described together below. A deep vibrator 2 is used to compact soil using an unbalance. An unbalance is understood to be a rotating body 3 whose mass is not distributed rotationally symmetrically. The mass axis of inertia of the mass body 3 is offset from the axis of rotation B, so that the unbalance generates vibrations when rotating, which compact the soil and any additional material Z. The process of vibratory compaction is based on the effect that the vibration of the deep vibrator 2 temporarily eliminates the friction between the soil grains and existing pore spaces close almost to the densest position due to gravity. Depending on the nature of the soil and the amount of compaction required, a reduction in volume occurs.

Ein für die erfindungsgemäße geeigneter Tiefenrüttler 2 umfasst als wesentliche Bestandteile den rotierend antreibbaren Massekörper 3, der in einem Rüttlergehäuse 4 um die Drehachse B drehend antreibbar ist. Der Massekörper 3 kann von einem Drehantrieb 5, beispielsweise einem Elektromotor, über eine Antriebswelle 16 angetrieben werden. Ein die Lage der Unwucht 3 repräsentierendes Lagesignal kann mittels eines entsprechenden Sensors 6 erfasst werden.A deep vibrator 2 suitable for the invention comprises as essential components the rotating mass body 3, which can be driven in rotation about the rotation axis B in a vibrator housing 4. The mass body 3 can be driven by a rotary drive 5, for example an electric motor, via a drive shaft 16. A position signal representing the position of the unbalance 3 can be detected by means of a corresponding sensor 6.

Der Tiefenrüttler 2 kann über eine elastische Kupplung 7 an einem Gestänge 8 aufgehängt werden. Das Versenken und/oder das Verdichten kann optional durch eine oder mehrere Wasserspülungen 9, 10 über in dem Gestänge 8 integrierte Leitungen 11 erleichtert werden. Der Wasserdurchfluss und/oder der Wasserdruck können gegebenenfalls mittels entsprechender Sensoren 12 gemessen und danach gesteuert werden.The deep vibrator 2 can be suspended from a rod 8 via an elastic coupling 7. The sinking and/or compaction can optionally be facilitated by one or more water flushes 9, 10 via lines 11 integrated in the rod 8. The water flow and/or the water pressure can be measured and then controlled using appropriate sensors 12 if necessary.

Es können erste Beschleunigungsaufnehmer 13 in einer ersten Ebene E13 des Tiefenrüttlers 2 vorgesehen, insbesondere oberhalb der Unwucht 3, und zweite Beschleunigungsaufnehmer 14 in einer zweiten Ebene E14, insbesondere unterhalb der Unwucht 3. Die Beschleunigungsaufnehmer 13, 14 dienen zur Messung der Beschleunigung des Tiefenrüttlers 2 während des Rüttelvorgangs. Aus bidirektionalen Beschleunigungsmessungen in zwei Ebenen E13, E14 des Rüttlers 2 kann das horizontale Bewegungsverhalten an beliebigen Stellen des Rüttlers, beispielsweise an der Spitze 15 oder in der Lage der Anregung durch die Unwucht 3 ermittelt werden. Dabei gilt insbesondere, dass der Schwingweg an der Rüttlerspitze 15 der doppelten Schwingweg-Amplitude entspricht.First acceleration sensors 13 can be provided in a first plane E13 of the deep vibrator 2, in particular above the unbalance 3, and second acceleration sensors 14 in a second plane E14, in particular below the unbalance 3. The acceleration sensors 13, 14 are used to measure the acceleration of the deep vibrator 2 during the vibration process. From bidirectional acceleration measurements in two planes E13, E14 of the vibrator 2, the horizontal movement behavior can be determined at any point on the vibrator, for example at the tip 15 or in the position of excitation by the unbalance 3. In particular, the vibration path at the vibrator tip 15 corresponds to twice the vibration path amplitude.

Es können ferner Kraftsensoren 19 zum Erfassen der Aufhängekraft des Rüttlers 2 beziehungsweise zur Bestimmung des Spitzendruckes des Rüttlers vorgesehen sein. Außerdem kann zumindest ein Sensor (nicht dargestellt) zur Messung der Eindringtiefe T des Tiefenrüttlers 2 vorgesehen sein. Optional kann der Tiefenrüttler 2 auch Flügel aufweisen.Furthermore, force sensors 19 can be provided for detecting the suspension force of the vibrator 2 or for determining the peak pressure of the vibrator. In addition, at least one sensor (not shown) can be provided for measuring the penetration depth T of the deep vibrator 2. Optionally, the deep vibrator 2 can also have wings.

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit zwei Tiefenrüttlern 2, die jeweils eine in einem Rüttlergehäuse 4 von einem Drehantrieb 5 drehend antreibbare Unwucht 3 sowie mindestens einen Bewegungssensor aufweisen, der ausgestaltet ist, um ein die Bewegung des jeweiligen Tiefenrüttlers repräsentierendes Bewegungssignal zu erfassen. Es ist ferner eine Steuerungselektronik 21 vorgesehen, an welche die Bewegungssignale der Tiefenrüttler 2 weitergegeben werden. Die Steuerungselektronik 21 steuert die Drehantriebe 5 der Tiefenrüttler 2 derart an, dass deren Bewegungen zusammenwirkend aufeinander abgestimmt sind. Optional kann einer oder beide der Tiefenrüttler auch jede weitere Ausgestaltung aufweisen, die im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben sind. Figure 2 shows an arrangement according to the invention with two deep vibrators 2, each of which has an imbalance 3 that can be driven in rotation in a vibrator housing 4 by a rotary drive 5, as well as at least one motion sensor that is designed to detect a motion signal representing the movement of the respective deep vibrator. Control electronics 21 are also provided, to which the motion signals of the deep vibrators 2 are passed on. The control electronics 21 controls the rotary drives 5 of the deep vibrators 2 in such a way that their movements are coordinated with one another. Optionally, one or both of the deep vibrators can also have any other design that is suitable in connection with Figure 1 are described.

Beispielsweises können mehrere Beschleunigungssensoren 13, 14 in verschiedenen Ebenen E13, E14 am Tiefenrüttler angebracht sein. Aus bidirektionalen Beschleunigungsmessungen in zwei Ebenen eines Rüttlers kann das horizontale Bewegungsverhalten an beliebigen Stellen des Rüttlers, beispielsweise an der Spitze oder der Lage der Unwuchtanregung ermittelt werden.For example, several acceleration sensors 13, 14 can be attached to the deep vibrator in different planes E13, E14. From bidirectional acceleration measurements in two planes of a vibrator, the horizontal movement behavior can be determined at any point on the vibrator, for example at the tip or the location of the imbalance excitation.

Die beiden Tiefenrüttler 2 werden vorzugsweise so betrieben, dass sie für die Synchronisation Leistungsreserven haben. Die Tiefenrüttler 2 können von der Steuerungselektronik 21 beispielsweise so gesteuert werden, dass - abhängig von den Bewegungssignalen beider Tiefenrüttler - der Drehantrieb 5 einer der beiden Tiefenrüttler 2 primär gesteuert wird, während der Drehantrieb 3 es anderen der Tiefenrüttlers 2 sekundär gesteuert wird. Dabei wird die Drehbewegung des sekundär gesteuerten Drehantriebs 5 auf die Drehbewegung des primär gesteuerten Drehantriebs zusammenwirkend abgestimmt, insbesondere synchron, was eine gleiche Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Auslenkung der beiden Tiefenrüttler miteinschließt. Durch die synchronisierte Bewegung der beiden Tiefenrüttler 2 wird das Material verdichtet, wobei die Materialbewegung U mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt ist. Die Materialbewegung bildet einen Setzungstrichter. Ein durch das Verdichten entstehender Raum kann durch Zugabematerial Z aufgefüllt werden. Mit gestrichelten Pfeilen ist die Bewegung einer optionalen Wasserspülung S dargestellt.The two deep vibrators 2 are preferably operated in such a way that they have power reserves for synchronization. The deep vibrators 2 can be controlled by the control electronics 21 can be controlled, for example, in such a way that - depending on the movement signals from both deep vibrators - the rotary drive 5 of one of the two deep vibrators 2 is primarily controlled, while the rotary drive 3 of the other of the deep vibrators 2 is secondarily controlled. The rotary movement of the secondarily controlled rotary drive 5 is coordinated with the rotary movement of the primarily controlled rotary drive, in particular synchronously, which includes an equal movement speed and/or deflection of the two deep vibrators. The synchronized movement of the two deep vibrators 2 compacts the material, with the material movement U being shown with solid arrows. The material movement forms a settlement funnel. A space created by the compaction can be filled with additional material Z. The movement of an optional water flush S is shown with dashed arrows.

Der primäre Tiefenrüttler 2 kann auch als "Master" bezeichnet werden, während der andere Tiefenrüttler im abhängigen Modus betrieben wird, was auch als "Slave"-Betrieb bezeichnet werden kann. Dabei folgt die Bewegung des im "Slave"-Betrieb geregelten Tiefenrüttlers 2 der Bewegung des als "Master" betriebenen Rüttlers. Die Steuerungselektronik 21 kann mittels eines Algorithmus denjenigen Rüttler, dessen Leistungsreserven erschöpft sind, zum "Master" machen und entsprechend steuern, dem dann der andere Rüttler, welcher noch Leistungsreserven hat, regelungstechnisch nachläuft.The primary deep vibrator 2 can also be referred to as the "master", while the other deep vibrator is operated in dependent mode, which can also be referred to as "slave" operation. The movement of the deep vibrator 2 controlled in "slave" operation follows the movement of the vibrator operated as the "master". The control electronics 21 can use an algorithm to make the vibrator whose power reserves are exhausted the "master" and control it accordingly, which the other vibrator, which still has power reserves, then follows in terms of control technology.

Die Steuerungselektronik 21 ist ausgestaltet, um die Anordnung 1 von Tiefenrüttlern 2 in verschiedenen Betriebsmodi zu regeln.The control electronics 21 are designed to control the arrangement 1 of deep vibrators 2 in different operating modes.

Eine erste Betriebsweise ist in den Figuren 3A und 3B gezeigt, wobei die Figur 3B die Rüttler gegenüber der Position aus Figur 3A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdrehten Rüttlern zeigt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Betriebsweise ist, dass beide Tiefenrüttler 2 mit der gleichen Drehrichtung R1, der gleichen Phasenlage P1 und der gleichen Winkelgeschwindigkeit betrieben beziehungsweise geregelt werden. Diese Betriebsweise ähnelt damit der eines Großrüttlers, welcher einen einzigen Rüttler mit größerer Leistung aufweist, und kann auch entsprechend als Betriebsweise "Großrüttler" bezeichnet werden. In der gezeigten Betriebsweise sind die Rüttlerbewegungen (bzw. Anregungen) so synchronisiert, dass es zu einer gemeinsamen Parallelverschiebung der gesamten Gruppe kommt. Die beiden Rüttler schwingen dabei immer in dieselbe Richtung. Mit gestrichelter Linie ist die Form F1 der verschobenen beziehungsweise verzerrten Gruppenanordnung gezeigt. Die gepunktete Linie zeigt die entgegengesetzte Form F2 der verschobenen beziehungsweise verzerrten Gruppenanordnung. Der gestrichelte Pfeil G repräsentiert die gesamte kreisförmige Translationsverschiebung der Anordnung 1.A first mode of operation is in the Figures 3A and 3B shown, where the Figure 3B the vibrators opposite the position Figure 3A after a quarter period, i.e. with the vibrators rotated by 90°. The characteristic feature of this mode of operation is that both deep vibrators 2 are operated or controlled with the same direction of rotation R1, the same phase position P1 and the same angular speed. This mode of operation is similar to that of a large vibrator, which has a single vibrator with greater power, and can also be referred to as the "large vibrator" mode of operation. In the mode of operation shown, the vibrator movements are (or excitations) are synchronized in such a way that a common parallel displacement of the entire group occurs. The two vibrators always oscillate in the same direction. The dashed line shows the shape F1 of the displaced or distorted group arrangement. The dotted line shows the opposite shape F2 of the displaced or distorted group arrangement. The dashed arrow G represents the entire circular translational displacement of arrangement 1.

Eine zweite Betriebsweise ist in den Figuren 4A und 4B gezeigt, wobei die Figur 4B die Tiefenrüttler 2 gegenüber der Position aus Figur 4A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdrehten Rüttlern zeigt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Betriebsweise ist, dass die beiden Tiefenrüttler 2 mit der gleichen Drehrichtung R1, der gleichen Winkelgeschwindigkeit, jedoch mit um 180° gegeneinander versetzten Phasenlagen P1, P2 angetrieben beziehungsweise geregelt werden. Diese Betriebsweise kann auch als "Kompression und Oszillation" bezeichnet werden. Dabei werden die in gleicher Drehrichtung laufenden Unwuchten 3 der Tiefenrüttler 2 derart synchronisiert, dass die Horizontalkräfte auf den Boden einander weitgehend egalisieren und insgesamt ein dynamisches Torsionsmoment um die Vertikalachse A entsteht. Bei Betrieb wird das sich um die Vertikalachse dynamisch abwechselnd im und gegen den Uhrzeigersinn drehende (oszillierende) Muster auch zyklisch abwechselnd kleiner und größer (Kompression und Expansion). Dies ist durch den gestrichelten Pfeil G dargestellt. Außerhalb des umgebenden Bereiches werden durch das Oszillieren Schubverzerrungen erzeugt, die der Verdichtung dienen. Auch hier sind mit gestrichelter Linie die Form F1 der verschobenen beziehungsweise verzerrten Gruppenanordnung, und mit gepunkteter Linie die entgegengesetzte Form F2 der verschobenen beziehungsweise verzerrten Gruppenanordnung gezeigt. Die globale Wirkung ist oszillierend; die lokale Wirkung komprimierend.A second mode of operation is in the Figures 4A and 4B shown, where the Figure 4B the deep vibrators 2 opposite the position Figure 4A after a quarter period, i.e. with the vibrators rotated by 90°. A characteristic feature of this mode of operation is that the two deep vibrators 2 are driven or controlled with the same direction of rotation R1, the same angular speed, but with phase positions P1, P2 offset by 180° from one another. This mode of operation can also be referred to as "compression and oscillation". The unbalanced masses 3 of the deep vibrators 2, which rotate in the same direction of rotation, are synchronized in such a way that the horizontal forces on the ground largely cancel each other out and an overall dynamic torsional moment is created around the vertical axis A. During operation, the pattern that dynamically rotates around the vertical axis alternately clockwise and anticlockwise (oscillating) also cyclically alternates between smaller and larger (compression and expansion). This is shown by the dashed arrow G. Outside the surrounding area, the oscillation creates shear distortions that serve to compact the material. Here too, the form F1 of the shifted or distorted group arrangement is shown with a dashed line, and the opposite form F2 of the shifted or distorted group arrangement is shown with a dotted line. The global effect is oscillating; the local effect is compressing.

Eine dritte Betriebsweise ist in den Figuren 5A und 5B gezeigt, wobei die Figur 5B die Tiefenrüttler 2 gegenüber der Position aus Figur 5A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdrehten Rüttlern zeigt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Betriebsweise ist, dass die Drehbewegungen der beiden Tiefenrüttler 2 ausgehend von einer gleichen Phasenlage P1 in einer durch die Längsachsen B der Tiefenrüttler 2 aufgespannten Bezugsebene EB mit entgegengesetzten Drehrichtungen R1, R2 und der gleichen Winkelgeschwindigkeit gesteuert werden. Diese Betriebsweise kann auch als "Richtschwinger mit Oszillation" bezeichnet werden. Es ergibt sich insgesamt die globale Wirkung eines Richtschwingers in der Ebene EB mit Torsionsmoment um die Vertikalachse A, wie sie mit gestrichelten Pfeilen G1, G2 dargestellt ist.A third mode of operation is in the Figures 5A and 5B shown, where the Figure 5B the deep vibrators 2 opposite the position Figure 5A after a quarter period, i.e. with the vibrators rotated by 90°. The characteristic feature of this mode of operation is that the rotary movements of the two deep vibrators 2, starting from an identical phase position P1, in a reference plane EB spanned by the longitudinal axes B of the deep vibrators 2, with opposite directions of rotation R1, R2 and the same angular velocity. This mode of operation can also be referred to as a "directional oscillator with oscillation". The overall effect is that of a directional oscillator in the plane EB with a torsional moment about the vertical axis A, as shown with dashed arrows G1, G2.

Eine vierte Betriebsweise ist in den Figuren 6A und 6B gezeigt, wobei die Figur 6B die Tiefenrüttler 2 gegenüber der Position aus Figur 6A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdrehten Rüttlern zeigt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Betriebsweise ist, dass die Drehbewegungen der beiden Tiefenrüttler 2 ausgehend von einer untereinander gleichen Phasenlage P1 senkrecht zu einer durch die Längsachsen B der Tiefenrüttler 2 aufgespannten Bezugsebene EB mit entgegengesetzten Drehrichtungen R1, R2 und der gleichen Winkelgeschwindigkeit zu steuern. Die gestrichelte Linie zeigt die Form F1 der verschobenen beziehungsweise verzerrten Gruppenanordnung, während die gepunktete Linie die entgegengesetzte Form F2 der verschobenen beziehungsweise verzerrten Gruppenanordnung zeigt. Es ergibt sich insgesamt die globale Wirkweise eines Richtschwingers, mit lokal komprimierender Wirkung. Die globale Wirkung als Richtschwinger, welche sich in der Ebene ES ergibt, ist mit gestricheltem Pfeil G dargestellt.A fourth mode of operation is in the Figures 6A and 6B shown, where the Figure 6B the deep vibrators 2 opposite the position Figure 6A after a quarter period, i.e. with the vibrators rotated by 90°. The characteristic feature of this mode of operation is that the rotary movements of the two deep vibrators 2 are controlled starting from a mutually identical phase position P1 perpendicular to a reference plane EB spanned by the longitudinal axes B of the deep vibrators 2 with opposite directions of rotation R1, R2 and the same angular velocity. The dashed line shows the shape F1 of the shifted or distorted group arrangement, while the dotted line shows the opposite shape F2 of the shifted or distorted group arrangement. Overall, the global effect of a directional vibrator with a locally compressing effect results. The global effect as a directional vibrator, which results in the plane ES, is shown with the dashed arrow G.

In den Figuren 7A, 7B zu 8A, 8B ist der Vergleich zwischen einem großem Einzelrüttler 102 und einer Anordnung 1 von Tiefenrüttlern 2 in Draufsicht bzw. Seitenansicht dargestellt.In the Figures 7A, 7B 8A, 8B show the comparison between a large single vibrator 102 and an arrangement 1 of deep vibrators 2 in plan view and side view, respectively.

Beim Einzelrüttler gemäß den Figuren 8A, 8B ist zu erkennen, dass die Bewegung des Spitzenwassers S im Ringspalt zum verdichteten Boden entgegengesetzt zum Materialtransport im Setzungstrichter U in Richtung Rüttlerspitze 15 erfolgt und diesen dadurch hemmt. Die Bewegungsrichtung des Spitzenwassers S ist mit gestrichelten Pfeilen dargestellt; die des Materials mit durchgezogenen Pfeilen. So wird ein kontinuierlicher Nachschub von Material zur Rüttlerspitze 15, dem Ort der Bodenverdichtung, verhindert.For single vibrators according to the Figures 8A, 8B it can be seen that the movement of the peak water S in the annular gap to the compacted soil is opposite to the material transport in the settlement funnel U in the direction of the vibrator tip 15 and thus inhibits it. The direction of movement of the peak water S is shown with dashed arrows; that of the material with solid arrows. This prevents a continuous supply of material to the vibrator tip 15, the location of the soil compaction.

In den Figuren 7A und 7B sind die Verhältnisse in der erfindungsgemäßen Rüttleranordnung 1 dargestellt. Durch das gemeinsame Bearbeiten des umschlossenen Bereiches wird das dortige Material mobilisiert und kann seitlich kontinuierlich zur Rüttlerspitze 15 nachfließen, um dort für ausreichenden Nachschub zur Verfügung zu stehen. Wird die Gruppe im Zusammenwirken gesehen, so findet in dem zwischen den Rüttlern liegenden Bereich 23 ein nach unten fließender Materialtransport statt, was durch die Pfeile mit durchgezogener Linie gezeigt ist.In the Figures 7A and 7B the conditions in the vibrator arrangement 1 according to the invention are shown. By jointly processing the enclosed area the material there is mobilized and can flow continuously laterally to the vibrator tip 15 in order to ensure sufficient supplies there. If the group is seen working together, a downward flowing material transport takes place in the area 23 between the vibrators, which is shown by the arrows with a solid line.

In den Figuren 9 bis 14 ist eine erfindungsgemäße Rüttleranordnung 1 in einer zweiten Ausführungsform mit vier Tiefenrüttlern 2 gezeigt. Aufbau und Funktionsweise dieser Ausführungsform entspricht weitestgehend denjenigen gemäß den Figuren 2 bis 7, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Einzelheiten mit denselben Bezugszeichen versehen, wie in den Figuren 2 bis 7.In the Figures 9 to 14 a vibrator arrangement 1 according to the invention is shown in a second embodiment with four deep vibrators 2. The structure and functioning of this embodiment largely corresponds to those according to the Figures 2 to 7 , so that with regard to the similarities, reference is made to the above description. The same or corresponding details are provided with the same reference numerals as in the Figures 2 to 7 .

Auch bei den in den Figuren 9 bis 14 gezeigten Anordnungen 1 gilt, dass diese in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben, beziehungsweise geregelt werden können.Even in the Figures 9 to 14 The arrangements shown 1 can be operated or controlled in different operating modes.

Der in den Figuren 9A und 9B für vier Rüttler gezeigte Betriebsmodus entspricht dem in den Figuren 3A und 3B gezeigten Betriebsmodus für zwei Rüttler. In Figur 9B sind die Rüttler gegenüber der Position aus Figur 9A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdreht dargestellt. Die vier Tiefenrüttler 2 werden mit der gleichen Drehrichtung R1, der gleichen Phasenlage P1 und der gleichen Winkelgeschwindigkeit betrieben beziehungsweise geregelt. In dieser Betriebsweise sind die Rüttlerbewegungen (bzw. Anregungen) so synchronisiert, dass es zu einer gemeinsamen Parallelverschiebung der gesamten Gruppe von Rüttlern kommt ("Großrüttler"). Die sich ergebende globale kreisförmige Translationsverschiebung ist mit Pfeilen G dargestellt.The one in the Figures 9A and 9B The operating mode shown for four vibrators corresponds to the one shown in the Figures 3A and 3B shown operating mode for two vibrators. In Figure 9B the vibrators are opposite the position from Figure 9A after a quarter period, i.e. rotated by 90°. The four deep vibrators 2 are operated or controlled with the same direction of rotation R1, the same phase position P1 and the same angular speed. In this mode of operation, the vibrator movements (or excitations) are synchronized in such a way that a common parallel displacement of the entire group of vibrators occurs ("large vibrators"). The resulting global circular translation displacement is shown with arrows G.

In den Figuren 10A und 10B ist ein weiterer Betriebsmodus für eine Anordnung 1 mit vier Tiefenrüttlern 2 gezeigt. In Figur 10B sind die Rüttler gegenüber der Position aus Figur 10A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdreht dargestellt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Betriebsweise ist, dass alle Rüttler in der gleichen Drehrichtung R1 derart synchronisiert werden, dass sich die Rüttler einer Diagonale D1 zueinander bewegen, während sich die Rüttler der anderen Diagonale D2 auseinander bewegen. Dies geschieht wechselweise zyklisch durch die dynamische Anregung. Lo"al wird der Bodenbereich zwischen den Rüttlern dadurch dynamischen Schubverzerrungen unterworfen, wie die gestrichelten beziehungswiese gepunkteten Linien erkennen lassen. Diese Betriebsweise kann insofern auch als "Schubverzerrung" bezeichnet werden. Dabei führen die Schubverzerrungen hoch effektiv zur Mobilisierung und Verdichtung. Global egalisieren einander die Horizontalkräfte der Rüttler auf den Boden, weshalb eine geringere Reichweite, verglichen mit der Betriebsweise "Großrüttler" gemäß den Figuren 9A und 9B gegeben ist. Die Erschütterung der Umgebung wird minimiert, die eingesetzte Energie steht der konzentrierten lokalen Bodenverdichtung und -mobilisierung zur Verfügung. Bei Böden, bei denen das Eigenverdichtungspotential schwer mobilisierbar ist (leichte Verkittung, lange Liegezeit, oder scheinbare Kohäsion), ist die Betriebsweise "Schubverzerrung" daher besonders gut geeignet. Auch für die Penetration, bei der eine weitreichende Verdichtung noch nicht erwünscht ist, ist dieser Betriebsmodus gegebenenfalls geeignet.In the Figures 10A and 10B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown. In Figure 10B the vibrators are opposite the position from Figure 10A after a quarter period, i.e. rotated by 90°. The characteristic feature of this mode of operation is that all vibrators are synchronized in the same direction of rotation R1 in such a way that the vibrators of one diagonal D1 move towards each other, while the vibrators of the other diagonal D2 move apart. This happens alternately and cyclically through the dynamic excitation. Lo"al the ground area between the vibrators is subjected to dynamic shear distortions, as the dashed or dotted lines show. This mode of operation can therefore also be referred to as "shear distortion". The shear distortions lead to mobilization and compaction in a highly effective manner. Globally, the horizontal forces of the vibrators on the ground equalize each other, which is why a smaller range is possible compared to the "large vibrator" mode of operation according to the Figures 9A and 9B is given. The vibration of the environment is minimized, the energy used is available for concentrated local soil compaction and mobilization. For soils where the inherent compaction potential is difficult to mobilize (light cementing, long lying time, or apparent cohesion), the "shear distortion" operating mode is therefore particularly suitable. This operating mode may also be suitable for penetration where extensive compaction is not yet desired.

In den Figuren 11A und 11B ist ein weiterer Betriebsmodus für eine Anordnung 1 mit vier Tiefenrüttlern 2 gezeigt. In Figur 11B sind die Rüttler gegenüber der Position aus Figur 11A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdreht dargestellt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Betriebsweise ist, dass alle Tiefenrüttler 2 in gleicher Drehrichtung R1 angetrieben werden, wobei die Unwuchten 3 der Tiefenrüttler von der Steuerungselektronik 21 so synchronisiert werden, dass die Horizontalkräfte auf den Boden einander weitgehend egalisieren und global ein dynamisches Torsionsmoment um die Vertikalachse entsteht, was anhand der gestrichelten Pfeile G erkennbar ist. Die verformten Formen F1, F2, welche als gestrichelte und gepunktete Linien dargestellt sind, stellen immer Quadrate dar. Hieran ist erkennbar, dass im umschlossenen Bereich keine Schubverzerrungen wirksam werden, sondern dass sich um die Vertikalachse dynamisch abwechselnd im und gegen den Uhrzeigersinn drehende (oszillierende) Quadrat wird auch zyklisch abwechselnd kleiner und größer (Kompression und Expansion). Insofern kann diese Betriebsweise auch als "Oszillation mit Kompression" bezeichnet werden. Außerhalb des umschlossenen Bereiches werden durch das Oszillieren Schubverzerrungen erzeugt, die der Verdichtung dienen. Die Erschütterung der Umgebung ist nicht mehr so gering wie in der Betriebsweise "Schubverzerrung" (Figuren 10A, 10B), jedoch deutlich unter jener im Betrieb als Großrüttler" (Figuren 9A, 9B).In the Figures 11A and 11B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown. In Figure 11B the vibrators are opposite the position from Figure 11A after a quarter period, i.e. rotated by 90°. The characteristic feature of this mode of operation is that all deep vibrators 2 are driven in the same direction of rotation R1, whereby the unbalanced masses 3 of the deep vibrators are synchronized by the control electronics 21 in such a way that the horizontal forces on the ground largely equalize each other and a dynamic torsional moment is created globally around the vertical axis, which can be seen from the dashed arrows G. The deformed shapes F1, F2, which are shown as dashed and dotted lines, always represent squares. This shows that no shear distortions are effective in the enclosed area, but that the square that dynamically rotates around the vertical axis alternately clockwise and anticlockwise (oscillating) also cyclically becomes smaller and larger (compression and expansion). In this respect, this mode of operation can also be referred to as "oscillation with compression". Outside the enclosed area, the oscillation generates shear distortions that serve to compress the material. The vibration of the environment is no longer as low as in the "shear distortion" mode ( Figures 10A, 10B ), but significantly below that in operation as a large vibrator" (Figures 9A, 9B).

Sämtliche Betriebsformen mit in einheitlicher Drehrichtung laufenden Unwuchten (Figuren 9 bis 11) lassen sich ohne Unterbrechung des Betriebes gleitend ineinander überführen, sodass während des Betriebes zwischen den Betriebsweisen "Großrüttler", "Schubverzerrung" und "Oszillation mit Kompression" wahlweise umgeschaltet werden kann. Gleiches gilt auch bei diagonalweise unterschiedlicher Drehrichtung (Figuren 12 bis 14). Sämtliche Betriebsformen können auch in entgegengesetzter Drehrichtung betrieben werden, sodass bei der Verwendung von Rüttlern mit Umschlaggewicht zwischen zwei unterschiedlichen Exzentrizitäten der Anregung gewählt werden kann.All operating modes with unbalanced masses running in a uniform direction of rotation (Figures 9 to 11) can be smoothly transferred into one another without interrupting operation, so that during operation it is possible to switch between the operating modes "large vibrator", "thrust distortion" and "oscillation with compression". The same applies to diagonally different directions of rotation (Figures 12 to 14). All operating modes can also be operated in the opposite direction of rotation, so that when using vibrators with turnover weights it is possible to choose between two different eccentricities of the excitation.

In den Figuren 12A und 12B ist ein weiterer Betriebsmodus für eine Anordnung 1 mit vier Tiefenrüttlern 2 gezeigt. In Figur 12B sind die Rüttler gegenüber der Position aus Figur 12A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdreht dargestellt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Betriebsweise ist, dass die Unwuchten 3 der Tiefenrüttler 2 diagonalweise (D1, D2) in unterschiedlicher Drehrichtung R1, R2 betrieben werden. Die Unwuchten 3 können mittels der Steuerungselektronik 21 dabei so synchronisiert werden, dass sie in der Betriebsweise "Richtschwinger" arbeiten, wobei die globale Schwingrichtung, in die alle Rüttler phasengleich wirken, frei eingestellt werden kann. Quer dazu egalisieren einander die Kräfte auf den Boden, sodass nur lokale Schubverzerrungen (Figur 12B) stattfinden. Um eine gleichmäßige Reichweite der Verdichtung um die Gruppe zu erreichen, kann die globale Schwingrichtung stufenlos rotiert werden, wobei bei jedem Verdichtungsschritt zumindest eine halbe Umdrehung (oder ein ganzzahliges Vielfaches davon) bewerkstelligt werden sollte. Die vorliegende Betriebsweise kann auch als "Richtschwinger mit Kompression" bezeichnet werden. Die globale Schwingungsbewegung ist als gestrichelter Pfeil G dargestellt.In the Figures 12A and 12B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown. In Figure 12B the vibrators are opposite the position from Figure 12A after a quarter period, i.e. rotated by 90°. A characteristic feature of this mode of operation is that the unbalanced masses 3 of the deep vibrators 2 are operated diagonally (D1, D2) in different directions of rotation R1, R2. The unbalanced masses 3 can be synchronized using the control electronics 21 so that they work in the "directional vibrator" mode, whereby the global direction of vibration, in which all vibrators act in phase, can be freely set. The forces on the ground equalize each other transversely, so that only local shear distortions ( Figure 12B ). In order to achieve a uniform range of compression around the group, the global direction of oscillation can be continuously rotated, whereby at least half a revolution (or an integer multiple thereof) should be achieved in each compression step. This mode of operation can also be referred to as a "directional oscillator with compression". The global oscillation movement is shown as a dashed arrow G.

In den Figuren 13A und 13B ist ein weiterer Betriebsmodus für eine Anordnung 1 mit vier Tiefenrüttlern 2 gezeigt. In Figur 13B sind die Rüttler gegenüber der Position aus Figur 13A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdreht dargestellt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Betriebsweise ist, dass die Unwuchten 3 der Tiefenrüttler 2 diagonalweise (D1, D2) in unterschiedlicher Drehrichtung R1, R2 derart betrieben werden, dass sich die Kräfte auf den Boden lokal egalisieren, und dabei lokale Schubverzerrungen hervorrufen, und nur ein residuales globales Torsionsmoment (dynamisches Oszillationsmoment um die Vertikalachse) verbleibt. Die Schubverformungen werden in dieser Betriebsweise großflächig maximiert, da sie sowohl die lokalen Schubverzerrungen als auch die globale Oszillationsbewegung hervorgerufen werden. Für Böden, die mittels dynamischer Schubverformungen optimal zu verdichten bzw. zu mobilisieren sind, ist die Betriebsweise "Oszillation mit Schubverzerrung" ideal anwendbar. Die globale Torsionsbewegung ist durch gestrichelte Pfeile G dargestellt.In the Figures 13A and 13B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown. In Figure 13B the vibrators are opposite the position from Figure 13A after a quarter period, i.e. rotated by 90°. The characteristic feature of this mode of operation is that the unbalanced masses 3 of the deep vibrators 2 are operated diagonally (D1, D2) in different directions of rotation R1, R2 in such a way that the forces on the ground are locally equalized, thereby causing local shear distortions, and only a residual global torsional moment (dynamic oscillation moment around the vertical axis) remains. The shear deformations are maximized over a large area in this mode of operation, as both the local shear distortions and the global oscillation movement are caused. For soils that can be optimally compacted or mobilized using dynamic shear deformations, the "oscillation with shear distortion" mode of operation is ideal. The global torsional movement is shown by dashed arrows G.

In den Figuren 14A und 14B ist ein weiterer Betriebsmodus für eine Anordnung 1 mit vier Tiefenrüttlern 2 gezeigt. In Figur 14B sind die Rüttler gegenüber der Position aus Figur 14A nach einer viertel Periode, das heißt mit um 90° verdreht dargestellt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Betriebsweise ist, dass die Unwuchten 3 der Tiefenrüttler 2 diagonalweise (D1, D2) in unterschiedlicher Drehrichtung R1, R2 angetrieben werden. Die Kräfte auf den Boden egalisieren einander weitgehend oder komplett, sodass durch die fehlende globale Wirkung auf den Boden, die Erschütterung der Umgebung minimiert wird und die eingebrachte Energie primär der lokalen Verdichtung und Mobilisierung zur Verfügung steht. Diese geschieht durch eine Kombination von dynamischen Schubverzerrungen, welche mit der Kompressions- und Expansionsbewegung abgewechselt wird. Diese Betriebsweise kann auch als "Schubverzerrung mit Kompression" bezeichnet werden.In the Figures 14A and 14B another operating mode for an arrangement 1 with four deep vibrators 2 is shown. In Figure 14B the vibrators are opposite the position from Figure 14A after a quarter period, i.e. rotated by 90°. A characteristic feature of this mode of operation is that the unbalanced masses 3 of the deep vibrators 2 are driven diagonally (D1, D2) in different directions of rotation R1, R2. The forces on the ground largely or completely cancel each other out, so that the lack of global effect on the ground minimizes the vibration of the surroundings and the energy introduced is primarily available for local compaction and mobilization. This occurs through a combination of dynamic shear distortions, which alternate with compression and expansion movements. This mode of operation can also be referred to as "shear distortion with compression".

Sämtliche Betriebsformen mit diagonalweise in unterschiedlicher Drehrichtung laufenden Unwuchten (Figuren 12 bis 14) lassen sich ohne Unterbrechung des Betriebes gleitend ineinander überführen, sodass während des Betriebes zwischen den Betriebsweisen "Richtschwinger", "Oszillation mit Schubverzerrung" und "Schubverzerrung mit Kompression" wahlweise umgeschaltet werden kann. Sämtliche Betriebsformen können auch in entgegengesetzter Drehrichtung betrieben werden, sodass bei der Verwendung von Rüttlern mit Umschlaggewicht zwischen zwei unterschiedlichen Exzentrizitäten der Anregung gewählt werden kann, wobei die diagonalweise unterschiedliche Drehrichtung R1, R2 in der Konstruktion der Umschlagunwucht Berücksichtigung finden müsste, wenn das Mischen kleiner und großer Exzentrizitäten vermieden werden soll.All operating modes with diagonally rotating unbalances ( Figures 12 to 14 ) can be smoothly transferred into one another without interrupting operation, so that during operation it is possible to switch between the operating modes "directional oscillator", "oscillation with shear distortion" and "shear distortion with compression". All operating modes can also be operated in the opposite direction of rotation, so that when using vibrators with a turnover weight, a choice can be made between two different eccentricities of the excitation, whereby the diagonally different direction of rotation R1, R2 must be taken into account in the design of the turnover unbalance if the mixing of small and large eccentricities is to be avoided.

Mit dem synchronisierten Betrieb von Rüttlergruppen stehen somit zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, um flexibel auf die Untergrundeigenschaften reagieren zu können und die Verdichtungsaufgabe unter den gegebenen Randbedingungen optimal zu erfüllen. Bei der Verwendung von Tiefenrüttlern 2 mit Umschlaggewicht, werden die Betriebsweisen mit einheitlicher Drehrichtung "Großrüttler", "Schubverzerrung" und "Oszillation mit Kompression" zu bevorzugen sein, will man nicht diagonalweise unterschiedliche Rüttler einsetzen oder große und kleine Exzentrizität mischen.With the synchronized operation of vibrator groups, numerous options are available to react flexibly to the subsoil properties and to optimally perform the compaction task under the given boundary conditions. When using deep vibrators 2 with a turnover weight, the operating modes with a uniform direction of rotation "large vibrator", "thrust distortion" and "oscillation with compression" are to be preferred if one does not want to use different vibrators diagonally or mix large and small eccentricities.

Die erfindungsgemäße Anordnung 1 erlaubt auch eine Nutzung der Sensorik für geotechnische Messungen.The arrangement 1 according to the invention also allows the use of the sensors for geotechnical measurements.

Eine auch als "Horchstopp" bezeichenbare geotechnischen Messung ist schematisch in Figur 15 gezeigt. Während des Verdichtungsprozesses kommt es in der Kontaktzone zu einer teilweisen Entkoppelung des Tiefenrüttlers 2 und des Bodens, sodass die an den Rüttlern gemessenen Amplituden A unterschiedlich von jenen Schwingungsamplituden sind, die im verdichteten Boden (im Kontaktbereich) auftreten. Deshalb ist während des Eindringens beziehungsweise während der Verdichtung mit den oben angegebenen Formeln nur eine zustandsabhängige Bodenreaktion bestimmbar. Um diesbezüglich klare Verhältnisse zu schaffen ist es möglich, sowohl beim Eindringen in den Boden als auch beim anschließenden Verdichtungsprozess in definierten Tiefenstufen T den Vorgang zu unterbrechen (entweder mit voller vertikaler Spitzenbelastung oder vom Trägergerät gehalten) und die Unwucht 3 mit geringer Kreisfrequenz ω laufen zu lassen. Dabei reicht die dynamische Anregung vorerst nicht aus, eine Eindringung oder eine Verdichtung zu bewirken, der Tiefenrüttler 2 steckt im Boden fest und die die am Rüttler gemessenen Amplituden A stimmen mit den Schwingungsamplituden des Bodens im Kontaktbereich überein.A geotechnical measurement, also referred to as a "listening stop", is shown schematically in Figure 15 shown. During the compaction process, a partial decoupling of the deep vibrator 2 and the soil occurs in the contact zone, so that the amplitudes A measured on the vibrators are different from those vibration amplitudes that occur in the compacted soil (in the contact area). Therefore, during penetration or during compaction, only a state-dependent soil reaction can be determined using the formulas given above. In order to create clear conditions in this regard, it is possible to interrupt the process both during penetration into the soil and during the subsequent compaction process at defined depth levels T (either with full vertical peak load or held by the carrier device) and to let the unbalance 3 run at a low angular frequency ω. The dynamic excitation is initially not sufficient to cause penetration or compaction, the deep vibrator 2 is stuck in the soil and the amplitudes A measured on the vibrator match the vibration amplitudes of the soil in the contact area.

Die zustandsabhängige Reaktionssteifigkeit k kann vereinfachend mit der folgenden Näherungsformel berechnet werden: k m e ω 2 / A

Figure imgb0005
The state-dependent reaction stiffness k can be calculated using the following approximate formula: k m e ω 2 / A
Figure imgb0005

Die Erregerkreisfrequenz ω kann in einem gleitenden Frequenzgang sukzessive erhöht werden, sodass die gemessenen, vorerst konstanten Bodensteifigkeitsverhältnisse sich in dem Augenblick deutlich zu verändern beginnen, in dem der Rüttler wieder beginnt, als Verdichtungsgerät wirksam zu werden.The excitation frequency ω can be gradually increased in a sliding frequency response so that the measured, initially constant soil stiffness conditions begin to change significantly at the moment when the vibrator starts to act as a compaction device again.

Der Test kann im Falle von Umschlaggewichten mit großer oder kleiner Exzentrizität (m · e) durchgeführt werden und mit einem Einzelrüttler erfolgen oder die Rüttleranordnung 1 als Einheit herangezogen werden. Im letzteren Fall muss die Synchronisation, bevorzugt in der Betriebsweise "Großrüttler", über die Position der Unwucht erfolgen, da sich die vorerst minimalen Rüttlerbewegungen nicht zur Synchronisation eignen.The test can be carried out in the case of handling weights with a large or small eccentricity (m · e) and can be carried out with a single vibrator or the vibrator arrangement 1 can be used as a unit. In the latter case, synchronization, preferably in the "large vibrator" operating mode, must be carried out via the position of the unbalance, since the initially minimal vibrator movements are not suitable for synchronization.

Eine weitere geotechnischen Messung ist schematisch in Figur 16 gezeigt, die auch als "Crosshole"-Test bezeichnet werden kann. Bei der Durchführung des "Crosshole"-Tests befinden sich mehrere der Tiefenrüttler 2 in der gleichen Tiefenstufe T im Boden. Die Verdichtungstätigkeit wird kurzfristig unterbrochen und ein beliebiger Rüttler zum "aktiven Rüttler" (Figur 16, linker Rüttler) bestimmt. Die restlichen Rüttler 2' (Figur 16, rechter Rüttler sowie ggf. weitere Rüttler außerhalb der Zeichenebene) verhalten sich passiv und registrieren mittels ihrer Sensorik die Signale vom aktiven Rüttler, welche sie durch den dazwischenliegenden Boden erreichen. Zur Steigerung der Messgenauigkeit kann der Versuch oftmals, mit Wechsel des "aktiven Rüttlers" reihum, durchgeführt werden.Another geotechnical measurement is shown schematically in Figure 16 which can also be referred to as a "crosshole" test. When carrying out the "crosshole" test, several of the deep vibrators 2 are located at the same depth level T in the ground. The compaction activity is interrupted for a short time and any vibrator becomes the "active vibrator" ( Figure 16 , left vibrator). The remaining vibrators 2' ( Figure 16 , right vibrator and possibly other vibrators outside the plane of the drawing) behave passively and use their sensors to register the signals from the active vibrator, which they reach through the ground in between. To increase the measurement accuracy, the test can often be carried out with the "active vibrator" being changed in turn.

Durch die fixierte bzw. bekannte Distanz A der Haltepunkte und die durch die Sensorik bekannte Neigung N der Tiefenrüttler 2, sind auch in der Tiefe T die Distanzen W der Rüttler untereinander bekannt.Due to the fixed or known distance A of the holding points and the inclination N of the deep vibrators 2 known by the sensors, the distances W between the vibrators are also known at depth T.

Werden durch den aktiven Rüttler Signale (Erschütterungen) an den Boden abgegeben, so durchlaufen diese den Boden über die bekannten Distanzen W zu den passiven Rüttlern. Die Signale können homogen (rotierende Unwucht) oder impulsförmig (z.B. Umschlagen der Unwucht) sein. Über die Laufzeiten der verschiedenen Wellenarten und die bekannten Distanzen sind die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Wellenarten im Boden zwischen den Rüttlern bekannt. Für die Kompressionswelle (P-Welle) und die Scherwelle (S-Welle) können die Bodensteifigkeiten mit folgenden Formeln berechnet werden: v p = E s / ρ v s = G / ρ

Figure imgb0006
wobei vp die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Kompressionswelle und vs jene der Scherwelle, Es der Steifemodul des Bodens, G dessen Schubmodul sowie ρ dessen Dichte sind.If signals (vibrations) are emitted to the ground by the active vibrator, they travel through the ground over the known distances W to the passive vibrators. The signals can be homogeneous (rotating imbalance) or pulse-shaped (e.g. reversal of the imbalance). The propagation speeds of the different types of waves in the ground between the vibrators are known from the travel times of the different types of waves and the known distances. The ground stiffnesses can be calculated for the compression wave (P-wave) and the shear wave (S-wave) using the following formulas: v p = E s / ρ v s = G / ρ
Figure imgb0006
where v p is the propagation speed of the compression wave and v s is the Shear wave, E s is the stiffness modulus of the soil, G is its shear modulus and ρ is its density.

Steifemodul Es und Schubmodul G eignen sich zur Beschreibung der Bodensteifigkeit, welche im Zuge der Verdichtung signifikant ansteigt. Unterhalb des Grundwassers ist das Schubmodul aussagekräftiger, da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Kompressionswelle wesentlich vom Wassergehalt beeinflusst wird.The stiffness modulus E s and the shear modulus G are suitable for describing the soil stiffness, which increases significantly during compaction. Below the groundwater, the shear modulus is more meaningful, since the propagation speed of the compression wave is significantly influenced by the water content.

In den Figuren 17A und 17B ist ferner der geometrische Zusammenhang zur Regelung der Prozessparameter bei der Verdichtung dargestellt.In the Figures 17A and 17B Furthermore, the geometric relationship for controlling the process parameters during compaction is shown.

Die Regelung der Prozessparameter (Frequenz, Unwucht, Wasserzugabe, Spitzendruck, etc.) zwecks Optimierung des Verdichtungserfolges kann mit einem Regelkriterium erfolgen, welches auf dem Nachlaufwinkel der Bodenreaktionskraft basiert und sowohl für den einzelnen Rüttler als auch für die synchronisierte Anwendung mehrerer Tiefenrüttler geeignet ist.The control of the process parameters (frequency, unbalance, water addition, peak pressure, etc.) in order to optimize the compaction success can be carried out with a control criterion which is based on the caster angle of the ground reaction force and is suitable both for the individual vibrator and for the synchronized application of several deep vibrators.

Der Regelung liegt folgende Erwägung zugrunde: Schwingt der Tiefenrüttler 2 in der Luft ("Nullversuch"), wie in Figur 17A gezeigt, so wirkt nur die Zentrifugalkraft der Unwucht und keine äußeren Kräfte auf den Rüttler und die Bewegung entspricht der Rotation um den gemeinsamen Schwerpunkt (von Unwucht und Rüttler), weshalb die Auslenkung des Rüttlers genau in entgegengesetzter Richtung zur Position der Unwucht ist (Vorlaufwinkel der Erregerkraft ϕ = 180°). Die Größe der Auslenkung im Nullversuch (A ) lässt sich messen und wird für die weitere Auswertung benötigt. Bei der Verdichtung im Boden, wie in Figur 17B gezeigt, hat die gemessene Auslenkung eine andere Größe (A) und Richtung (ϕ) in Bezug auf die Zentrifugalkraft (Fe ) der Unwucht. Der Grund dafür sind die auf den Boden übertragenen Kräfte, welche sich zu einer entgegengesetzt gerichteten resultierenden Bodenreaktionskraft (Fb ) auf den Rüttler zusammenfassen lassen.The regulation is based on the following consideration: If the deep vibrator 2 oscillates in the air ("zero test"), as in Figure 17A As shown, only the centrifugal force of the unbalance and no external forces act on the vibrator and the movement corresponds to the rotation around the common center of gravity (of the unbalance and vibrator), which is why the deflection of the vibrator is exactly in the opposite direction to the position of the unbalance (lead angle of the excitation force ϕ = 180°). The size of the deflection in the zero test ( A ) can be measured and is required for further evaluation. When compacting the soil, as in Figure 17B As shown, the measured deflection has a different magnitude ( A ) and direction ( ϕ ) in relation to the centrifugal force ( F e ) of the unbalance. The reason for this is the forces transmitted to the ground, which can be summarized to form an oppositely directed resulting ground reaction force ( F b ) on the vibrator.

Die Größe und Richtung der resultierenden Bodenreaktionskraft (Fb ) kann berechnet werden, wie nachstehend anhand Figur 18 beschrieben.The magnitude and direction of the resulting ground reaction force ( F b ) can be calculated as follows using Figure 18 described.

Figur 18 zeigt den geometrischen Zusammenhang der Vektoraddition für die Kräfte und die zugehörigen Auslenkungen für den Fall mit einem Freiheitsgrad. Dieser Fall tritt dann ein, wenn auf einen ausgewogenen Rüttler die Bodenreaktionskraft etwa in der Ebene der Anregung angreift, was in der Praxis in der Regel gegeben ist. Bestimmt wird jene Bodenreaktionskraft (Größe und Richtung), welche erforderlich ist, um die bei der Bodenverdichtung gemessene Auslenkung (Größe und Richtung) hervorzurufen. Aus diesem geometrischen Zusammenhang lässt sich die auf die Erregerkraft (Fe ) bezogene Bodenreaktionskraft (Fb ) mit folgender Formel ermitteln: F b F e = sin 180 ° ϕ 2 + cos 180 ° ϕ A A 2

Figure imgb0007
Figure 18 shows the geometric relationship of the vector addition for the forces and the associated deflections for the case with one degree of freedom. This case occurs when the ground reaction force acts on a balanced vibrator approximately in the plane of excitation, which is usually the case in practice. The ground reaction force (magnitude and direction) required to cause the deflection (magnitude and direction) measured during soil compaction is determined. From this geometric relationship, the ground reaction force ( F b ) related to the excitation force (F e ) can be determined using the following formula: F b F e = sin 180 ° ϕ 2 + cos 180 ° ϕ A A 2
Figure imgb0007

Der Nachlaufwinkel der Bodenreaktionskraft (ϕb,eff ) auf den Rüttler ergibt sich zu: ϕ b , eff = 90 ° atan cos 180 ° ϕ A A sin 180 ° ϕ

Figure imgb0008
The caster angle of the ground reaction force ( ϕ b,eff ) on the vibrator is: ϕ b , eff = 90 ° atan cos 180 ° ϕ A A sin 180 ° ϕ
Figure imgb0008

Da die Kraft auf den Boden entgegengesetzt wirkt, ist der Vorlaufwinkel der Erregerkraft (ϕb,err ) auf den Boden: ϕ b , err = 180 ° ϕ b , eff

Figure imgb0009
Since the force acts in the opposite direction on the ground, the lead angle of the excitation force ( ϕ b,err ) on the ground is: ϕ b , err = 180 ° ϕ b , eff
Figure imgb0009

Dieser Wert dient erfindungsgemäß zur Regelung der Prozessparameter (Frequenz, Unwucht, Wasserzugabe, Spitzendruck, etc.) und sollte bei Erreichen der Eigenfrequenz der Bodenreaktionskraft theoretisch den Wert 90° annehmen. Aufgrund bodenmechanischer Phänomene im Kontaktbereich Rüttler-Boden (fluidisierte Zone, vertikal nachströmendes Bodenmaterial, etc.) kann der Zielwert der Regelung für optimale Bodenverdichtung jedoch von dem theoretischen Wert von 90° abweichen. Ziel der Regelung ist es, unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Motorleistung, den verfügbaren Unwuchtexzentrizitäten sowie der geeigneten Frequenz und Wasserzugabe, die Bodenverdichtung bei Eigenfrequenz der Bodenreaktionskraft auszuführen, um damit Reichweite und Verdichtungserfolg zu optimieren.According to the invention, this value is used to regulate the process parameters (frequency, unbalance, water addition, peak pressure, etc.) and should theoretically assume the value 90° when the natural frequency of the ground reaction force is reached. However, due to soil mechanical phenomena in the contact area between the vibrator and the ground (fluidized zone, vertically flowing soil material, etc.), the target value of the control for optimal soil compaction can deviate from the theoretical value of 90°. The aim of the control is to carry out soil compaction at the natural frequency of the ground reaction force by utilizing the available engine power, the available unbalance eccentricities and the appropriate frequency and water addition in order to optimize the range and compaction success.

Die erfindungsgemäße Methode der Bodenverdichtung in Eigenfrequenz der Bodenkontaktkraft (ϕb,err ≈ 90°) wurde oben exemplarisch für einen Freiheitsgrad gezeigt, sie ist aber nicht auf einen Freiheitsgrad beschränkt, sondern entsprechend erweiterbar.The inventive method of soil compaction in the natural frequency of the ground contact force ( ϕ b,err ≈ 90°) was shown above as an example for one degree of freedom, but it is not limited to one degree of freedom, but can be extended accordingly.

Gut abgestimmt ist ein Tiefenrüttler 2 insbesondere dann, wenn frei in der Luft hängend (Nullversuch) dynamisch angeregt, sein Ruhepol beim Gelenk zum Rüttlerstrang gelegen ist. Es werden dabei keine nennenswerten Vibrationen auf den Rüttlerstrang übertragen und umgekehrt auch keine nennenswerten dynamischen Kräfte vom Strang auf den Rüttler.A deep vibrator 2 is particularly well-adjusted when it is dynamically excited while hanging freely in the air (zero test) and its resting point is located at the joint to the vibrator string. No significant vibrations are transferred to the vibrator string and vice versa, no significant dynamic forces are transferred from the string to the vibrator.

Als Verdichtungsgerät ausgewogen ist der Tiefenrüttler 2 insbesondere, wenn bei der Verdichtung die resultierende dynamische Bodenreaktionskraft in der Ebene der Anregung angreift und somit der Pol auch weiterhin beim Gelenk gelegen ist. Dann sind die Schwingungsformen des Rüttlers beim Nullversuch (frei in der Luft hängend) und bei der Verdichtung ident, lediglich Amplitude und Phasenwinkel sind unterschiedlich, da Verdichtungsarbeit im Boden geleistet wird.The deep vibrator 2 is particularly well-balanced as a compaction device when the resulting dynamic ground reaction force acts in the plane of the excitation during compaction and the pole is therefore still located at the joint. The vibration forms of the vibrator are then identical during the zero test (hanging freely in the air) and during compaction, only the amplitude and phase angle are different, since compaction work is carried out in the ground.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Anordnungarrangement
22
TiefenrüttlerDeep vibrator
33
MassekörperMass body
44
RüttlergehäuseVibrator housing
55
DrehantriebRotary drive
66
Sensor / WinkelgeberSensor / angle encoder
77
Kupplungcoupling
88th
GestängeRods
99
WasserspülungWater flush
1010
WasserspülungWater flush
1111
LeitungLine
1212
Sensor / Wasserdruckgeber, WasserdurchflussmengenzählerSensor / water pressure sensor, water flow meter
1313
Sensor / BeschleunigungsaufnehmerSensor / Accelerometer
1414
Sensor / BeschleunigungsaufnehmerSensor / Accelerometer
1515
SpitzeGreat
1616
Antriebswelledrive shaft
1717
BodenFloor
1919
KraftsensorForce sensor
2121
SteuerungselektronikControl electronics
2222
Flügelwing
2323
ZwischenbereichIntermediate area
AA
Amplitudeamplitude
A∞A∞
Amplitude bei unendlich hoher ErregerfrequenzAmplitude at infinitely high excitation frequency
BB
DrehachseRotation axis
DD
Diagonalediagonal
ee
Exzenter der UnwuchtEccentric of the unbalance
EE
Ebenelevel
FF
Formshape
kk
BodensteifigkeitskennwertSoil stiffness index
k'k'
BodensteifigkeitssteigerungsrateSoil stiffness increase rate
mm
Masse der UnwuchtMass of unbalance
MM
modale Rüttlermassemodal vibrating mass
ΔMΔM
modale mitschwingende Bodenmassemodal resonating soil mass
PP
BewegungsrichtungDirection of movement
RR
DrehrichtungDirection of rotation
SS
WasserWater
tt
ZeitTime
TT
Tiefedepth
UU
MaterialbewegungMaterial movement
WW
Signalsignal
ZZ
ZugabematerialAdditional material
ββ
FrequenzverhältnisFrequency ratio
ϕϕ
VorlaufwinkelLead angle
ωω
ErregerfrequenzExcitation frequency

Claims (14)

Tiefenrüttleranordnung (1) zur Bodenverdichtung umfassend: mehrere Tiefenüttler (2), die jeweils eine in einem Rüttlergehäuse (4) von einem Drehantrieb (5) drehend antreibbare Unwucht (3) sowie zumindest einen Bewegungssensor (6, 12, 13, 14, 19) aufweisen, der ausgestaltet ist, um ein die Bewegung des jeweiligen Tiefenrüttlers (2) repräsentierendes Bewegungssignal (P) zu erfassen, eine Steuerungselektronik (21), an welche die Bewegungssignale (P) der Tiefenrüttler (2) weitergegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehantriebe (5) der Tiefenrüttler (2) von der Steuerungselektronik (21) derart ansteuerbar sind, dass die Bewegungen der Tiefenrüttler (2) zusammenwirkend aufeinander abgestimmt sind. Deep vibrator arrangement (1) for soil compaction comprising: a plurality of deep vibrators (2), each of which has an unbalanced mass (3) which can be driven in rotation by a rotary drive (5) in a vibrator housing (4) and at least one motion sensor (6, 12, 13, 14, 19) which is designed to detect a motion signal (P) representing the movement of the respective deep vibrator (2), a control electronics (21) to which the movement signals (P) of the deep vibrators (2) are transmitted, characterized, that the rotary drives (5) of the deep vibrators (2) can be controlled by the control electronics (21) in such a way that the movements of the deep vibrators (2) are coordinated with one another. Tiefenrüttleranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungselektronik (21) ausgestaltet ist, um abhängig von den Drehsignalen der Tiefenrüttler (2) den Drehantrieb (5) eines der Tiefenrüttler (2) primär zu steuern, und den Drehantrieb (5) zumindest eines anderen der Tiefenrüttler (2) sekundär zu steuern, derart, dass die Drehbewegung des sekundär gesteuerten Drehantriebs (5) auf die Drehbewegung des primär gesteuerten Drehantriebs (5) zusammenwirkend abgestimmt ist.
Deep vibrator arrangement according to claim 1,
characterized,
that the control electronics (21) are designed to primarily control the rotary drive (5) of one of the deep vibrators (2) depending on the rotary signals of the deep vibrators (2), and to secondarily control the rotary drive (5) of at least one other of the deep vibrators (2), such that the rotary movement of the secondarily controlled rotary drive (5) is cooperatively coordinated with the rotary movement of the primarily controlled rotary drive (5).
Tiefenrüttleranordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungselektronik (21) ausgestaltet ist, um abhängig von den Drehsignalen der Tiefenrüttler (2) den primär gesteuerten Tiefenrüttler (2) zu ändern, derart, dass ein Tiefenrüttler (2) mit geringeren Leistungsreserven als primärer Tiefenrüttler (2) und zumindest ein Tiefenrüttler (2) mit größeren Leistungsreserven als sekundärer Tiefenrüttler (2) betrieben wird.
Deep vibrator arrangement according to claim 2,
characterized,
that the control electronics (21) are designed to change the primary controlled deep vibrator (2) depending on the rotation signals of the deep vibrators (2), such that a deep vibrator (2) with lower power reserves is operated as the primary deep vibrator (2) and at least one deep vibrator (2) with larger power reserves is operated as the secondary deep vibrator (2).
Tiefenrüttleranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungselektronik (21) ausgestaltet ist, um die Drehbewegung des sekundär gesteuerten Drehantriebs (5) synchron zur Drehbewegung des primär gesteuerten Drehantriebs (5) zu steuern, insbesondere mit gleicher Bewegungsgeschwindigkeit.
Deep vibrator arrangement according to claim 1 or 2,
characterized,
that the control electronics (21) are designed to control the rotary movement of the secondarily controlled rotary drive (5) synchronously with the rotary movement of the primarily controlled rotary drive (5), in particular with the same movement speed.
Tiefenrüttleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungselektronik (21) ausgestaltet ist, um die Drehbewegungen mehrerer der Tiefenrüttler (2) mit der gleichen Drehrichtung (R1), der gleichen Phasenlage (P1), und der gleichen Winkelgeschwindigkeit zu steuern.
Deep vibrator arrangement according to one of claims 1 to 3,
characterized,
that the control electronics (21) are designed to control the rotational movements of several of the deep vibrators (2) with the same direction of rotation (R1), the same phase position (P1), and the same angular velocity.
Tiefenrüttleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungselektronik (21) ausgestaltet ist, um die Drehbewegungen mehrerer der Tiefenrüttler (2) mit der gleichen Drehrichtung (R), der gleichen Winkelgeschwindigkeit und um 180° gegeneinander versetzten Phasenlagen (P) von wenigstens zwei der Tiefenrüttler (2) zu steuern.
Deep vibrator arrangement according to one of claims 1 to 4,
characterized,
that the control electronics (21) are designed to control the rotary movements of several of the deep vibrators (2) with the same direction of rotation (R), the same angular velocity and phase positions (P) offset by 180° from one another of at least two of the deep vibrators (2).
Tiefenrüttleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungselektronik (21) ausgestaltet ist, um die Drehbewegungen von mindestens zwei der Tiefenrüttler (2) ausgehend von einer gleichen Phasenlage (P) in einer durch die Längsachsen (B) der Tiefenrüttler (2) aufgespannten Bezugsebene (E) mit entgegengesetzten Drehrichtungen (R) und der gleichen Winkelgeschwindigkeit zu steuern.
Deep vibrator arrangement according to one of claims 1 to 6,
characterized,
that the control electronics (21) are designed to control the rotary movements of at least two of the deep vibrators (2) starting from an equal phase position (P) in a reference plane (E) spanned by the longitudinal axes (B) of the deep vibrators (2) with opposite directions of rotation (R) and the same angular velocity.
Tiefenrüttleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungselektronik (21) ausgestaltet ist, um die Drehbewegungen von mindestens zwei der Tiefenrüttler (2) ausgehend von einer gleichen Phasenlage (P) senkrecht zu einer durch die Längsachsen (B) der Tiefenrüttler (2) aufgespannten Bezugsebene (E) mit entgegengesetzten Drehrichtungen (R) und der gleichen Winkelgeschwindigkeit zu steuern.
Deep vibrator arrangement according to one of claims 1 to 7,
characterized,
that the control electronics (21) are designed to control the rotary movements of at least two of the deep vibrators (2) starting from an identical phase position (P) perpendicular to a reference plane (E) spanned by the longitudinal axes (B) of the deep vibrators (2) with opposite directions of rotation (R) and the same angular velocity.
Verfahren zur Bodenverdichtung mittels einer Rüttleranordnung (1) aus mehreren Tiefenrüttlern (2), die jeweils eine in einem Rüttlergehäuse (4) von einem Drehantrieb (5) drehend antreibbare Unwucht (3) sowie zumindest einen Sensor (6, 12, 13, 14, 19) aufweisen, wobei: die Rüttleranordnung (1) in den Boden (17) bis zu einer gewünschten Endtiefe (Tm) der Tiefenrüttler (2) eingebracht wird; der Boden (17) mittels der Rüttleranordnung (1) in Verdichtungsschritten verdichtet wird, wobei während des Verdichtens mittels der Sensoren (6, 12, 13, 14, 19) die Drehbewegungen der Tiefenrüttler (2) repräsentierende Bewegungssignale (P) erfasst und an eine Steuerungselektronik (21) weitergegeben werden, wobei die Drehantriebe (5) der Tiefenrüttler (2) von der Steuerungselektronik (21) derart angesteuert werden, dass die Drehbewegungen der Tiefenrüttler (2) zusammenwirkend aufeinander abgestimmt werden. Method for soil compaction by means of a vibrator arrangement (1) comprising a plurality of deep vibrators (2), each of which has an unbalanced mass (3) which can be driven in rotation by a rotary drive (5) in a vibrator housing (4) and at least one sensor (6, 12, 13, 14, 19), wherein: the vibrator arrangement (1) is introduced into the ground (17) to a desired final depth (Tm) of the deep vibrators (2); the soil (17) is compacted in compaction steps by means of the vibrator arrangement (1), wherein during compaction movement signals (P) representing the rotary movements of the deep vibrators (2) are recorded by means of the sensors (6, 12, 13, 14, 19) and passed on to a control electronics (21), wherein the rotary drives (5) of the deep vibrators (2) are controlled by the control electronics (21) such that the rotary movements of the deep vibrators (2) are coordinated with one another. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Drehantrieb (5) eines der Tiefenrüttler (2) der Rüttleranordnung (1) abhängig von den Drehsignalen der Tiefenrüttler (2) primär gesteuert wird, und der Drehantrieb (5) zumindest eines anderen der Tiefenrüttler (2) sekundär gesteuert wird, wobei die Drehbewegung des sekundär gesteuerten Drehantriebs (5) auf die Drehbewegung des primär gesteuerten Drehantriebs (5) zusammenwirkend abgestimmt wird.
Method according to claim 9,
characterized,
that the rotary drive (5) of one of the deep vibrators (2) of the vibrator arrangement (1) is primarily controlled depending on the rotary signals of the deep vibrators (2), and the rotary drive (5) of at least one other of the deep vibrators (2) is secondarily controlled, wherein the rotary movement of the secondarily controlled rotary drive (5) is coordinated with the rotary movement of the primary controlled rotary drive (5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Unwucht (3) derart drehend angetrieben wird, dass eine Frequenz der Drehbewegung über einen Messzeitraum verändert wird, wobei die Schwingungsamplitude (A) des Tiefenrüttlers (2) während des Messzeitraums ermittelt wird, wobei der Frequenzbereich insbesondere so gewählt wird, dass zumindest über einen Teilbereich des Frequenzbereichs das Rüttlergehäuse (4) und der umgebende Boden (17) miteinander gekoppelt in Schwingung versetzt werden.
Method according to one of claims 9 or 10,
characterized,
that the unbalance (3) is driven in rotation in such a way that a frequency of the rotational movement is changed over a measuring period, wherein the vibration amplitude (A) of the deep vibrator (2) is determined during the measuring period, wherein the frequency range is selected in particular such that the vibrator housing (4) and the surrounding ground (17) are coupled to one another and set into vibration at least over a partial range of the frequency range.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlaufwinkel (ϕ) der Unwucht (3) und die Schwingungsamplitude (A) des Tiefenrüttlers (2) ermittelt werden; und dass ein Bodensteifigkeitswert (k) zumindest auf Basis des Vorlaufwinkels (ϕ) und der Schwingungsamplitude (A) ermittelt wird;
Method according to one of claims 9 to 11,
characterized, that the lead angle (ϕ) of the unbalance (3) and the vibration amplitude (A) of the deep vibrator (2) are determined; and that a soil stiffness value (k) is determined at least on the basis of the lead angle (ϕ) and the vibration amplitude (A);
Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Bodensteifigkeitswerts (k) zumindest näherungsweise nach der Formel: k = m e ω 2 1 A 1 A sign ϕ 90 ° 1 + tan 2 ϕ
Figure imgb0010
oder: k m e ω 2 A
Figure imgb0011
erfolgt, wobei - A die Schwingungsamplitude des Tiefenrüttlers, - Ace eine Vergleichsamplitude des Tiefenrüttlers bei freier Schwingung, - m eine Masse der Unwucht, - e eine Exzentrizität der rotierenden Unwucht zu einer Drehachse, - ω eine Kreisfrequenz der rotierenden Unwucht, und - ϕ der Phasenvorlauf der rotierenden Unwucht zur Bewegung des Tiefenrüttlers, sind.
Method according to claim 12,
characterized, that the determination of the soil stiffness value (k) can be at least approximately carried out according to the formula: k = m e ω 2 1 A 1 A sign ϕ 90 ° 1 + tan 2 ϕ
Figure imgb0010
or: k m e ω 2 A
Figure imgb0011
takes place, whereby - A is the vibration amplitude of the deep vibrator, - Ace is a comparison amplitude of the deep vibrator during free vibration, - m is a mass of the unbalance, - e an eccentricity of the rotating unbalance to a rotation axis, - ω is an angular frequency of the rotating unbalance, and - ϕ is the phase advance of the rotating unbalance to the movement of the deep vibrator, are.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass Verdichtungstätigkeit kurzfristig unterbrochen wird, und einer der Tiefenrüttler (2) aktiv betrieben wird, und zumindest eine Teilzahl der anderen Tiefenrüttler (2) passiv betrieben wird, derart, dass sie mittels ihrer Sensorik die Signale des aktiven Tiefenrüttlers (2) erfassen, welche sie durch den dazwischenliegenden Boden erreichen.
Method according to one of claims 9 or 10,
characterized, that compaction activity is interrupted for a short time, and one of the deep vibrators (2) is actively operated, and at least a portion of the other deep vibrators (2) are passively operated, such that they use their sensors to detect the signals of the active deep vibrator (2) which they reach through the ground in between.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0672794A1 (en) * 1994-03-16 1995-09-20 Terramix KG Schotterproduktions-Süd-GmbH & Co. Deep stratum compacting device
US20160348329A1 (en) * 2015-05-28 2016-12-01 JAFEC USA, Inc. Direct power compaction method
DE102016125155A1 (en) 2016-12-21 2018-06-21 BUG Dienstleistungen GmbH & Co. KG Compacting plant for the compaction of compactible soils using a carrier device
EP3517687B1 (en) 2018-01-26 2020-08-05 Keller Holding GmbH Method for compaction detection and control when compacting soil using deep vibrator

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